WO2014165879A1 - Micro fluorescence-detecting device and method therefor - Google Patents

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WO2014165879A1
WO2014165879A1 PCT/AT2014/000066 AT2014000066W WO2014165879A1 WO 2014165879 A1 WO2014165879 A1 WO 2014165879A1 AT 2014000066 W AT2014000066 W AT 2014000066W WO 2014165879 A1 WO2014165879 A1 WO 2014165879A1
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prism
excited
analyzed
micro
detection device
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Application number
PCT/AT2014/000066
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German (de)
French (fr)
Inventor
Eduard Gilli
Frank Reil
Stefan Köstler
Volker Schmidt
Original Assignee
Joanneum Research Forschungsgesellschaft Mbh
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Publication date
Application filed by Joanneum Research Forschungsgesellschaft Mbh filed Critical Joanneum Research Forschungsgesellschaft Mbh
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/645Specially adapted constructive features of fluorimeters
    • G01N21/648Specially adapted constructive features of fluorimeters using evanescent coupling or surface plasmon coupling for the excitation of fluorescence

Definitions

  • the present invention relates to a micro-fluorescence detection device comprising a light source for generating linearly polarized excitation light, at least one prism with the base surface of which a carrier for a material to be excited or analyzed is connected, and one parallel to the carrier for the excitation or to be analyzed And a method for detecting fluorescent light in a micro fluorescence detection device, a material disposed, to be excited or analyzed on a support connected to a base surface of a prism, wherein linearly polarized light from an excitation light source is directed to a side surface of the prism wherein at the base surface of the prism, the material to be excited or to be analyzed for the emission of fluorescent light with simultaneous reflection of the excitation light is excited and that of the to be excited or to ana luminescent material detected fluorescent light is evaluated in a detection unit.
  • US 2010/0225915 describes a prism for inducing a Brewster angular transmission and a fluorescence detection device for increasing a signal-to-noise ratio thereof in which structure evanescent waves are generated when light is applied to fluorescent material, wel When applied to a sample surface, it is incident at an angle greater than a critical angle.
  • the evanescent waves are used here as fluorescence excitation light to induce total internal reflection of light such that light passes through the prism at a Brewster angle.
  • a disadvantage of such a device is that the light entry is not at a Brewster angle but normal to the prism surface resulting unwanted reflections of the excitation light on the light entry side result, and that at least between the prism and a support for the sample to be analyzed, an interface exists at which unwanted light scattering can take place. Furthermore, in order to connect the support for the sample to be analyzed with the integrated prism used an immersion medium to achieve the necessary total reflection at the surface of the support.
  • the light source in this system comprises a laser diode and the system further comprises beam splitters, apertures and a stepper motor driven control mirror in which after filtering the fluorescent light, the punctiform field has been detected by an uncooled CCD camera.
  • miniaturized devices employing direct detection of, in particular, biomolecules or pathogens in applications such as diagnostics, food testing or environmental monitoring
  • the so-called "lab-on-a-chip” or “micro total analysis systems ( ⁇ TAS ) have been developed to perform the entire process from sample preparation, measurement, reaction, incubation, etc., to detection on the same chip
  • ⁇ TAS micro total analysis systems
  • the present invention now aims to provide a miniaturized fluorescence detection device and a method for detecting fluorescent light, in which as much excitation light is coupled into a fluorescent dye of a material to be excited or analyzed and at the same time as little excitation light reaches the detector, to achieve an effective, geometric separation of fluorescent light and excitation light and thus an increased measurement accuracy. Furthermore, the invention aims to minimize the unwanted reflection of the excitation light when entering and exiting the prism and a subsequent possible scattering of excitation light and thus after an effective excitation of the fluorescent material in a material to be analyzed or to be detected Material to measure the fluorescent light sufficiently sensitive and accurate with a spatially resolving detector.
  • the device according to the invention is characterized in that the at least one prism and the carrier for the material to be excited or analyzed are formed as a monolithic microchip, wherein a base surface of the prism forming side of the microchip the carrier for the material to be excited or analyzed on which the material to be excited or analyzed in the total reflection of the excitation light is arranged and that both side surfaces of the prism are arranged in the Brewster angle to the excitation light.
  • Attenuated total reflection (ATR) excitation is achieved.
  • the material to be excited or analyzed on the side of the prism is illuminated at an angle which is greater than the critical angle of total reflection, for which reason no excitation light intensity emanates from the prism in the region of the material to be excited or analyzed. penetrates, but is completely reflected inside the prism.
  • the substance to be stimulated or to be analyzed which is simultaneously an absorbing substance for the excitation light and is applied to the same base surface of the prism, is thus excited by an evanescent wave emerging in the near field and causes the emission of fluorescent light, which fluorescence light, subsequently in the Detection unit is evaluated. Furthermore, by locating both side faces of the prism at Brewster's angle to the excitation light, the excitation light is coupled into or out of the prism, substantially without producing any reflections.
  • linearly polarized light which may for example come from a laser diode as a light source whose polarization plane is set parallel to the plane of incidence, ie p-polarized light in the Brewster angle on the side surfaces of the prism.
  • a further increase in the efficiency of the coupling-in and coupling-out of the excitation light without undesired reflection of the excitation light when light enters and exits is hereby achieved according to the invention in that the microchip of the fluorescence detection device is formed from a non-absorbing material which is suitable for p polarized light is not reflective at the Brewster angle.
  • Such a configuration thus maximizes the coupling and decoupling of the excitation light and at the same time minimizes or completely eliminates the scattered light, which is why, in particular, fluorescent light of the material to be excited or analyzed can be exactly detected without any scattered light.
  • the fluorescence detection device is designed such that the base of the microchip representing the carrier for the material to be excited or analyzed is structured and that the structuring comprises one or more components or structures Includes microfluidic structures and channels, micro-optical structures, electrodes, valves or membranes, it is possible to provide a so-called lab-on-a-chip system in a simple manner, in which the number of interfaces between the material to be excited or to be analyzed on a minimum is reduced, whereby as much excitation light is coupled into the luminescent dye contained in the material to be excited or analyzed. Moreover, with such a device when used for fluid materials, the use of immersion liquids can be avoided.
  • the material to be excited or analyzed as a grid of fluorescent dots on the carrier forming side or the base surface of the microchip is applied, it is possible with simultaneous effective excitation with a conventional spatially resolving detector, such as a CCD camera, sufficiently sensitive to measure the fluorescence of the material to be excited or analyzed.
  • a conventional spatially resolving detector such as a CCD camera
  • a diameter of each point of the grid of fluorescent dots is 0.05 to 1 mm, in particular 0, 1 and 0.4 mm, with simultaneous homogeneous irradiation and a quantification of the average intensity of individual sensor points can be achieved.
  • the device is designed such that a plurality of prisms is arranged on a common microchip and that the prisms are integrated into a surface of the microchip.
  • the plurality of prisms arranged on a common microchip makes it possible to provide a plurality of carriers for material to be analyzed or stimulated, and in particular, for example, a plurality of microfluidic channels which are cut into the prism base area.
  • the fluorescence detection device can be designed in this case such that the plurality of
  • Prisms is arranged parallel to each other with directed to the excitation light side surfaces. Another variant is achieved in that the plurality of prisms is arranged one behind the other and a light incidence of the excitation light on the prisms takes place one after the other. By arranging a plurality of prisms parallel to one another with side faces directed towards the excitation light, it is possible to obtain a plurality of mutually different samples or a plurality of mutually identical samples be displayed simultaneously with excitation light to emissions of fluorescent light.
  • Such a device is preferred, for example, for an application for the examination of biological fluids or the like, since only very small amounts of substance are contained in the sample and with such a configuration a simultaneous, yet very sensitive measurement of several parameters can be achieved a plurality of prisms is arranged one behind the other.
  • the micro-fluorescence detection device can be developed such that the detection unit is arranged opposite to the prism of the prism.
  • the detection unit is arranged opposite the vertex of the prism.
  • a micro-fluorescence detection device in which the detection unit is arranged opposite the apex of the prism, it is possible to provide a device in which an extremely simple replacement of the biochip is made possible due to the ready accessibility thereof and thus the times and the outlay to the change, which are generally determined for single use, analysis chips compared to conventional designs are significantly reduced.
  • the entire microchip of the micro-fluorescence detection device is made of one and the same material, in particular made of plastic, it is possible on the one hand to provide a non-absorbing medium for the p-polarized light and on the other hand can Such device simple, for example, in a single manufacturing step, such as injection molding,
  • Hot embossing and the like are manufactured, whereby a total of manufacturing costs for the production of disposable, analysis chips is significantly reduced. Furthermore, by making the entire microchip of one and the same material, it is possible to provide an inert carrier for the material to be analyzed while at the same time providing a prism which is suitable for the
  • Beam geometry which is required for the apparatus of the present invention to provide required refractive indices.
  • the microchip in particular the biochip, is made of a polymer material based on cycloolefin polymer (COP), cycloolefin copolymer (COC), polycarbonate (PC), polymethyl methacrylate (PMMA), poly (poly (meth) acrylate).
  • COP cycloolefin polymer
  • COC cycloolefin copolymer
  • PC polycarbonate
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • PS polyethylene terephthalate
  • PAT polyacrylate
  • PPA polyurethane acrylate
  • PUMA polyuretane methacrylate
  • PP polypropylene
  • COP / COC cycloolefin polymer or copolymer
  • PC polycarbonate
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • PS polystyrene
  • the device is designed according to a development that it is arranged in a housing, in particular an aluminum housing or plastic housing and that inside the housing, a partition for a separation in a compartment containing the light source and a compartment containing the detection device is arranged.
  • a partition for a separation in a compartment containing the light source and a compartment containing the detection device is arranged.
  • the invention is developed such that the side surfaces of the prism are formed as curved free-form surfaces.
  • the present invention further relates to a method for detecting fluorescent light in a micro-fluorescence detection device, in which the amount of interfering stray light impinging on a detection unit is minimized, while at the same time reliably and reproducibly reproducible results are achieved.
  • the method according to the invention is essentially characterized in that the excitation light is irradiated at the Brewster angle on the side surface of the prism that the material to be excited or to be analyzed is arranged directly on the base surface of the prism at an angle which is greater as a critical angle of total reflection is excited to emit fluorescent light.
  • the material to be excited or analyzed directly on the base surface of the prism and illuminated at an angle greater than the critical angle of total reflection, it is further ensured that no excitation intensity of the excitation light from the prism at the surface of the prism Prism, on which the to be detected or to be excited sample or the material to be excited is applied, penetrates, which in turn the signal-to-noise ratio of a measurement can be significantly improved and in particular exact and sharp measurement points or lines of the generated Fluorescent light can be obtained in a detection unit.
  • the speed of the measuring method is increased on the one hand and on the other hand it is ensured that a plurality of different substances to be analyzed are analyzed quickly or simply a plurality of mutually identical substances can be analyzed, whereby, after a corresponding communication, the measurement errors can be significantly reduced compared to conventional measurement methods.
  • the method is carried out such that the plurality of materials to be excited or analyzed simultaneously are applied to a plurality of prism faces arranged parallel to one another or to be simultaneously detected If a plurality of materials to be stimulated or analyzed are applied to a plurality of prisms arranged in a row, the plurality of prisms are applied and excited in succession with one and the same excitation light, whereby one and the same sample can be excited several times and thus faulty Measurements or read-out errors after detection in the detection device tion can be withheld by direct comparison of the measurement results with certainty.
  • the material to be excited or analyzed as a grid of fluorescent dots on the base surface of the prism, as is the case with a further development of the invention, it is possible with sufficient sensitivity to simultaneously excite with a conventional spatially resolving detector, such as a CCD camera Fluorescence of the material to be excited or analyzed.
  • a conventional spatially resolving detector such as a CCD camera Fluorescence of the material to be excited or analyzed.
  • the fluorescent dots are formed by binding fluorescently labeled molecules from a solution to capture or probe molecules fixed to the prism base surface, the apparatus permits the detection and quantification of samples present in the sample solution analytes.
  • the fluorescent points are determined by the attachment / binding of fluorescence-dye-labeled molecules or particles, such as oligonucleotides, proteins, peptides, biomarkers, antibodies, antigens, etc., from the binding partner applied to the analyzing solution at the base surface of the prism, ie In turn corresponding complementary oligonucleotides, proteins, antigens, etc. are formed, the detection and quantification of existing in the sample solution analytes is possible.
  • fluorescence-dye-labeled molecules or particles such as oligonucleotides, proteins, peptides, biomarkers, antibodies, antigens, etc.
  • 1 is a schematic representation of a micro-fluorescence detection device according to the present invention.
  • 2 shows a schematic representation of light incident at the Brewster angle on the side surfaces of a prism integrated in a carrier substrate.
  • Fig. 3 is a partial perspective view of a prism applied to a carrier substrate and the schematic representation of the passage of light through this prism.
  • FIG. 4 shows a representation similar to FIG. 3 with a plurality of prisms integrated on a support
  • FIG. 5 shows a plurality of successively arranged prisms, which are gradually penetrated by excitation light, according to another embodiment of the invention.
  • FIG. 6 shows a diagram relating to the fluorescence imaging and the temporal evaluation of the fluorescence intensity for a streptavidin concentration of 7 nM.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a micro-fluorescence detection device 1, in which a bundle of linearly polarized light is applied from a light source 2, for example a laser diode, to a beam sharpener 3 and from this the schematically illustrated beam 4, which is a Polarization in a plane parallel to the plane of incidence 5 of the prism 6, is incident.
  • the beam 4, which includes the Brewster angle with the plane of incidence 5 not shown in FIG. 1, is refracted inside the prism 6, is completely reflected at a base surface 7 of the prism 6 and enters at a second side surface 8 of the prism 6 again from the inside of the prism 6 at the Brewster angle.
  • a plurality of fluorescent dots 9, in particular a grid of fluorescent dots 9 are applied in a microfluidic system, in particular in the area where the total reflection of the beam 4 takes place.
  • the microfluidic system is shown schematically in FIG. 1 through the depression 10, which is formed on the base surface 7 of the prism 6, and is intended, for example, to symbolize a microchannel.
  • the fluorescent dots 9 can have a diameter of 0.05 to 1 in particular 0, 1 to 0.4 mm in such a configuration.
  • an absorbing substance in particular at points 9, is located on surface 7 of prism 6, it can be excited by an evanescent wave emerging in the near field and the fluorescent light 1 1 emitted after excitation is subsequently focused by a camera lens 12, which is a converging lens, again and evaluated by a detector 13, which is for example a CCD camera and an evaluation, not shown in Fig. 1.
  • a camera lens 12 which is a converging lens
  • detector 13 which is for example a CCD camera and an evaluation, not shown in Fig. 1.
  • the prism 6 is formed of a non-absorbing medium, since non-absorbing media for p-polarized light, ie light, the plane of polarization is set parallel to plane of incidence 5 of the prism 6, ie for light, which in the Brewster- Angle incident on the plane of incidence 5 of the prism 6, are not reflective. Finally, the light is irradiated at the Brewster angle on the surface of the prism.
  • the Brewster angle (q ⁇ ) is given here by the formula tan (qe) ni and n2 are the refractive indices of the participating media, ie in the present case air and the material of the prism 6.
  • the detection unit 13 is arranged on the side of the vertex 14, in the present case a vertex surface, of the prism 6.
  • the detection unit 13 is disposed on the side of the sample 9 to be analyzed, because of its reduced space requirement, by arranging both the light source 2 and of the
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a carrier with integrated prism, ie a microchip 15 according to the invention.
  • the prism 6 is formed as part of the base surface of the microchip 15, and an interface between the chip 15 and the prism 6 does not exist, so that the number of optical interfaces is minimized.
  • the bundle of incident light beams 4 is further shown, which incident on the surface 5 of the prism 6 at the Brewster angle qe.
  • the incident light beam 4 is refracted to the base surface 7 and reflected therefrom and exits at the on the side surface 8 again at the Brewster angle qß from the prism 6.
  • the prism 6 shown in FIG. 2 is a conventional prism 6 having a vertex and a base surface 7.
  • Fig. 3 is a similar view as shown in Fig. 2 in perspective, wherein the prism 6 is formed in Fig. 3 as a blunt prism 6 with two horizontal sides. Also in Fig. 3, the path of the light is indicated schematically by the line 16.
  • the base surface 7 as well as in Fig. 1 of the prism 6 is shown extended and thus represents the base of the microchip 15. In this case, the prism 6 is formed directly on the microchip 15, as this is shown schematically by the dotted line 17 in order to minimize the number of interfaces.
  • a plurality of prisms 6, which are formed analogously to those of FIG. 3, are arranged parallel to each other on a microchip 15, wherein each of the prisms 6 is acted upon by light, wherein the light path is again schematically designated 16.
  • the light source 2, which acts on the plurality of prisms 6, may be a common light source 2 or a plurality of light sources 2 arranged parallel to one another may be used.
  • a plurality of prisms 6 are shown, which are arranged one behind the other and which are penetrated successively by a light bundle 4. Due to the fact that the incident light 6 again impinges on the surface 5 of the prism 6 at the Brewster angle qB and emerges from the first prism 6 exactly at the Brewster angle q ⁇ , it is possible to apply all the prisms 6 with exactly the same light geometry. so that errors due to stray light, which may be caused by non-observance of the light geometry, are avoided.
  • recesses 10 are again shown in the base surface 7 of the prism 6, which are intended to symbolize microchannels in which fluid material can be guided. Needless to say that the Prismengeometrie can be chosen arbitrarily and that, for example, free-form prisms can be used, which are used to compensate for possible radiation divergences.
  • a biochip according to FIG. 3 with external dimensions of 25 ⁇ 75 mm is produced by hot pressing or injection molding of COP material, namely a thermoplastic polyolefin resin marketed under the trade name Zeonor® 1060R (a trademark of Zeon Corporation), the chip incorporating a includes integrated prism whose angle of the side surfaces to the base surface amount to 33.2 °.
  • COP material namely a thermoplastic polyolefin resin marketed under the trade name Zeonor® 1060R (a trademark of Zeon Corporation)
  • Zeonor® 1060R a trademark of Zeon Corporation
  • Biotin-functionalized bovine serum albumin (BSA) is imprinted on the base surface of this prism in the form of a dot-shaped raster. Subsequently, this chip is incorporated with another chip, in which a microfluidic channel system consisting of at least one channel, which allows a sample solution to be passed over the grid applied on the base surface of the prism and in which a liquid inlet and outlet is further incorporated, connected.
  • a microchip in particular a biochip, was prepared for the detection of biotin or biotin-binding proteins, such as streptavidin or neutravidin.
  • a sample or solution containing a certain amount of biotin and streptavidin labeled with the fluorescent dye Cy3 is then introduced into the microfluidic channel and the fluorescence intensity of the grid printed on the base surface of the prism is subsequently monitored with a CCD camera.
  • Fluorescence intensity with incubation time indicates binding of the Cy3-labeled streptavidin to the printed halftone dots of biotinylated BSA.
  • the rate of this increase or the achievable fluorescence intensities depend on the concentration of biotin and streptavidin in the sample solution.
  • the corresponding fluorescence imaging and the temporal evaluation of the fluorescence intensity are shown for a Cy3 streptavidin concentration of 7 nM in FIG.

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Abstract

The invention relates to a micro fluorescence-detecting device (1), comprising a light source (2) for generating linearly polarised excitation light (4), at least one prism (6), to a base surface (7) of which a carrier for a material to be excited or analysed is connected, and a detection unit (13) arranged parallel to the carrier for the material to be excited or analysed, the micro fluorescence-detecting device being characterised in that the at least one prism (6) and the carrier for the material to be excited or analysed are designed as a one-piece microchip, wherein a side of the microchip (15) that forms the base surface (7) of the prism (6) that forms the carrier for the material to be excited or analysed, on which carrier the material to be excited or analysed is arranged in the region of the total internal reflection of the excitation light (4), and in that both lateral surfaces (5, 8) of the prism (6) are arranged at Brewster's angle to the excitation light (4).

Description

MIKRO-FLUORESZENZDETEKTIONSVORRICHTUNG SOWIE VERFAHREN  MICRO FLUORESCENT DETECTION DEVICE AND METHOD
HIERFÜR  THEREFOR
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Mikro-Fluoreszenzdetektionsvorrichtung umfassend eine Lichtquelle zur Generierung von linear polarisiertem Anregungslicht, wenigstens ein Prisma mit dessen Basisfläche ein Träger für ein anzuregendes oder zu analysierendes Material verbunden ist, sowie eine parallel zu dem Träger für das anzuregende oder zu analysierende Material angeordnete2w Detektionseinheit, sowie ein Verfahren zur Detektion von Fluoreszenzlicht in einer Mikro-Fluoreszenzdetektionsvorrichtung, eines auf einem mit einer Basisfläche eines Prismas verbundenen Träger angeordneten, anzuregenden oder zu analysierenden Materials, bei welchem linear polarisiertes Licht von einer Anregungslichtquelle auf eine Seitenfläche des Prismas gerichtet wird wobei an der Basisfläche des Prismas das anzuregende oder zu analysierende Material zur Emission von Fluoreszenzlicht unter gleichzeitiger Reflexion des Anregungslichts angeregt wird und das von dem anzuregenden oder zu analysierenden Material ermittelte Fluoreszenzlicht in einer Detektionseinheit ausgewertet wird. The present invention relates to a micro-fluorescence detection device comprising a light source for generating linearly polarized excitation light, at least one prism with the base surface of which a carrier for a material to be excited or analyzed is connected, and one parallel to the carrier for the excitation or to be analyzed And a method for detecting fluorescent light in a micro fluorescence detection device, a material disposed, to be excited or analyzed on a support connected to a base surface of a prism, wherein linearly polarized light from an excitation light source is directed to a side surface of the prism wherein at the base surface of the prism, the material to be excited or to be analyzed for the emission of fluorescent light with simultaneous reflection of the excitation light is excited and that of the to be excited or to ana luminescent material detected fluorescent light is evaluated in a detection unit.
In den letzten Jahren ist eine Vielzahl von verschiedenen Fluoreszenzdetektionsvorrich- tungen bekannt geworden. Hierbei wurden sowohl Systeme mit Mikrolinsen und/oder Mi- krogittern als auch Strukturen, welche Wellenleiter und eine TIRF-Anregung verwenden, beschrieben. Unter diesen beschreibt beispielsweise die US 2010/0225915 ein Prisma für das Induzieren einer Brewster-Winkeltransmission und eine Fluoreszenzdetektionsvor- richtung zum Erhöhen eines Signal-zu-Rausch-Verhältnisses derselben, in welcher Struktur evaneszierende Wellen generiert werden, wenn Licht auf Fluoreszenzmaterial, wel- ches auf eine Probenoberfläche aufgebracht ist, in einem Winkel der größer als ein kritischer Winkel ist, auftrifft. Die evaneszierenden Wellen werden hierbei als Anregungslicht für die Fluoreszenz verwendet, um eine interne Totalreflexion von Licht derart zu induzieren, dass Licht durch das Prisma in einem Brewster-Winkel hindurchtritt. Nachteilig bei einer derartigen Vorrichtung ist, dass der Lichteintritt nicht unter einem Brewster-Winkel sondern normal zur Prismenfläche erfolgt was unerwünschte Reflexionen des Anregungslichts auf der Lichteintrittsseite zur Folge hat, und dass zumindest zwischen dem Prisma und einem Träger für die zu analysierende Probe eine Grenzfläche existiert, an welcher unerwünschte Lichtstreuungen stattfinden können. Weiterhin muss zum Verbinden des Trägers für die zu analysierende Probe mit dem in die Detektionsein- heit integrierten Prisma ein Immersionsmedium verwendet werden, um die nötige Totalreflexion an der Oberfläche des Trägers zu erreichen. In recent years, a variety of different fluorescence detection devices have become known. Both microlens and / or microgitter systems and structures using waveguides and TIRF excitation have been described. Among them, for example, US 2010/0225915 describes a prism for inducing a Brewster angular transmission and a fluorescence detection device for increasing a signal-to-noise ratio thereof in which structure evanescent waves are generated when light is applied to fluorescent material, wel When applied to a sample surface, it is incident at an angle greater than a critical angle. The evanescent waves are used here as fluorescence excitation light to induce total internal reflection of light such that light passes through the prism at a Brewster angle. A disadvantage of such a device is that the light entry is not at a Brewster angle but normal to the prism surface resulting unwanted reflections of the excitation light on the light entry side result, and that at least between the prism and a support for the sample to be analyzed, an interface exists at which unwanted light scattering can take place. Furthermore, in order to connect the support for the sample to be analyzed with the integrated prism used an immersion medium to achieve the necessary total reflection at the surface of the support.
Weitere Systeme, in welchen unterschiedliche Materialien für den Wellenleiter, d.h. bei- spielsweise das Prisma und den Probenträger, auf welchem das anzuregende bzw. zu analysierende Material aufgebracht ist, eingesetzt werden, sind vielfach bekannt. Other systems in which different materials for the waveguide, i. For example, the prism and the sample carrier, on which the material to be excited or analyzed is applied, are widely known.
A. Brandenburg et al., Sensor. Actuat. B-Chem. (2009), 139, 245-249 haben erstmals Polymerfolien als Wellenleiter verwendet, welche mit einem Einkupplungs- und Auskupplungsprisma für das Anregungslicht durch Heißprägen ausgebildet wurden. Die Lichtquelle umfasst bei diesem System eine Laserdiode und das System weist weiterhin Strahlteiler, Aperturen und einen durch einen Schrittmotor angetriebenen Steuer- bzw. Regelspiegel, bei welchem nach einem Filtrieren des Fluoreszenzlichts das punktförmige Feld durch eine nicht gekühlte CCD-Kamera detektiert wurde, auf. A. Brandenburg et al., Sensor. ACTUAT. B-Chem. (2009), 139, 245-249 have for the first time used polymer films as waveguides which have been formed with a hot start embossing and decoupling prism for the excitation light. The light source in this system comprises a laser diode and the system further comprises beam splitters, apertures and a stepper motor driven control mirror in which after filtering the fluorescent light, the punctiform field has been detected by an uncooled CCD camera.
Aufgrund der stetig steigenden Nachfrage nach miniaturisierten Vorrichtungen, welche eine direkte Detektion von insbesondere Biomolekülen oder Pathogenen in Anwendungen, wie der Diagnose, Nahrungsmitteluntersuchung oder Umweltbeobachtung eingesetzt sind, wurden die sogenannten "Lab-on-a-Chip" oder "Mikrogesamtanalysensysteme (μ- TAS) entwickelt, um das gesamte Verfahren von der Probenzubereitung, Messung, Reaktion, Inkubation, usw. bis zur Detektion auf ein und demselben Chip ausführen zu können. Allerdings wurden frühe derartige, miniaturisierte Fluoreszenzvorrichtungen auf Glassubstraten oder Siliziumsubstraten aufgebaut und es mussten Herstellungstechnologien aus dem Gebiet der Elektronik und Halbleiterindustrie angewandt werden, wodurch derartige Mikro-Fluoreszenzdetektionsvorrichtungen nicht nur teuer sondern auch kompliziert und aufwendig herzustellen sind und überdies die Systeme noch nicht ausreichend miniaturisiert sind. Due to the ever increasing demand for miniaturized devices employing direct detection of, in particular, biomolecules or pathogens in applications such as diagnostics, food testing or environmental monitoring, the so-called "lab-on-a-chip" or "micro total analysis systems (μTAS ) have been developed to perform the entire process from sample preparation, measurement, reaction, incubation, etc., to detection on the same chip, however, early such miniaturized fluorescence devices have been built on glass substrates or silicon substrates and production technologies have been required in the field the electronics and semiconductor industries are applied, whereby such micro-fluorescence detection devices are not only expensive but also complicated and expensive to produce and, moreover, the systems are not yet sufficiently miniaturized.
In letzter Zeit wurde versucht, derartige Mikroanalysenvorrichtungen in Kunststoff Chips zu integrieren, welche einerseits eine hohe Transparenz und andererseits eine niedrige Auto- fluoreszenz aufweisen. Ein regelmäßig auftretendes Problem bei derartigen Vorrichtungen, sowohl auf Glas- oder Siliziumsubstraten, als auch auf Kunststoffsubstraten, ist, dass eine Trennung des Fluoreszenzlichts von dem Anregungslicht mittels eines Spektrome- ters oder mittels optischer Filter geschehen muss, was sich als nicht zufriedenstellend er- weist. Am günstigsten ist hierbei eine effektive, geometrische Trennung zwischen Fluoreszenzlicht und Anregungslicht, da die Intensität des Anregungslichts üblicherweise um ein Vielfaches höher als die Intensität des erzeugten Fluoreszenzlichts ist, was insbesondere bei miniaturisierten Systemen ein großes Problem in Bezug auf die Messgenauigkeit darstellt, da meist nicht unbeträchtliche Mengen an Streulicht die Messung stören bzw. verfälschen. Recently, attempts have been made to integrate such microanalysis devices in plastic chips, which on the one hand have high transparency and, on the other hand, low auto fluorescence. A common problem with such devices, both on glass or silicon substrates, as well as on plastic substrates, is that a separation of the fluorescent light from the excitation light must be done by means of a spectrometer or by means of optical filters, which proves to be unsatisfactory , The most favorable is an effective, geometric separation between fluorescent light and excitation light, since the intensity of the excitation light usually by a Many times higher than the intensity of the fluorescence light generated, which is a big problem in terms of measurement accuracy, especially in miniaturized systems, since usually not inconsiderable amounts of scattered light disturb the measurement or falsify.
Die vorliegende Erfindung zielt nun darauf ab, eine miniaturisierte Fluoreszenzdetektions- vorrichtung sowie ein Verfahren zur Detektion von Fluoreszenzlicht zur Verfügung zu stellen, bei welchem möglichst viel Anregungslicht in einen Fluoreszenzfarbstoff eines anzuregenden oder zu analysierenden Materials eingekoppelt wird und gleichzeitig möglichst wenig Anregungslicht den Detektor erreicht, um eine effektive, geometrische Trennung von Fluoreszenzlicht und Anregungslicht und somit eine erhöhte Messgenauigkeit zu erzielen. Weiterhin zielt die Erfindung darauf ab, die unerwünschte Reflexion des Anregungslichts beim Ein- und Austritt in das Prisma und eine darauffolgende mögliche Streuung von Anregungslicht auf ein Minimum herabzusetzen und somit nach einer effek- tiven Anregung des fluoreszierenden Materials in einem zu analysierenden Material oder zu detektierenden Material das Fluoreszenzlicht ausreichend sensibel und genau mit einem ortsauflösenden Detektor zu messen. The present invention now aims to provide a miniaturized fluorescence detection device and a method for detecting fluorescent light, in which as much excitation light is coupled into a fluorescent dye of a material to be excited or analyzed and at the same time as little excitation light reaches the detector, to achieve an effective, geometric separation of fluorescent light and excitation light and thus an increased measurement accuracy. Furthermore, the invention aims to minimize the unwanted reflection of the excitation light when entering and exiting the prism and a subsequent possible scattering of excitation light and thus after an effective excitation of the fluorescent material in a material to be analyzed or to be detected Material to measure the fluorescent light sufficiently sensitive and accurate with a spatially resolving detector.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeich- net, dass das wenigstens eine Prisma und der Träger für das anzuregende oder zu analysierende Material als einstückiger (monolithischer) Mikrochip ausgebildet sind, wobei eine Basisfläche des Prismas ausbildende Seite des Mikrochips den Träger für das anzuregende bzw. zu analysierende Material ausbildet, auf welcher das anzuregende oder zu analysierende Material im Bereich der Totalreflexion des Anregungslichts angeordnet ist und dass beide Seitenflächen des Prismas im Brewster-Winkel zum Anregungslicht angeordnet sind. Indem das wenigstens eine Prisma und der Träger für das anzuregende oder zu analysierende Material als einstückiger Mikrochip ausgebildet sind, existiert in der Vorrichtung keine Grenzfläche zwischen dem Träger für das anzuregende oder zu analysierende Material und dem Lichtwellenleiter, nämlich dem Prisma, wodurch eine unerwünschte Re- flexionen bzw. Streulicht vermieden wird. Indem weiterhin das anzuregende oder zu analysierende Material, auf die eine Basisfläche des Prismas ausbildende Seite des Mikrochip als Träger aufgebracht ist, wird eine Anregung unter abgeschwächter Totalreflexion (attenuated total reflection; ATR) erreicht. Hierbei wird das anzuregende oder zu analysierende Material auf der Seite des Prismas unter einem Winkel, welcher größer als der kriti- sehe Winkel der Totalreflexion ist, beleuchtet, weshalb keine Anregungslichtintensität aus dem Prisma im Bereich des anzuregenden oder zu analysierenden Materials heraus- dringt, sondern im Inneren des Prismas vollständig reflektiert wird. Die auf derselben Basisfläche des Prismas aufgebrachte anzuregende oder zu analysierende Substanz, welche gleichzeitig eine absorbierende Substanz für das Anregungslicht ist, wird somit durch eine im Nahfeld austretende evaneszente Welle angeregt und zur Abgabe von Fluores- zenzlicht veranlasst, welches Fluoreszenzlicht, in der Folge in der Detektionseinheit ausgewertet wird. Indem weiterhin beide Seitenflächen des Prismas im Brewster-Winkel zum Anregungslicht angeordnet sind, wird das Anregungslicht in das Prisma ein- oder ausgekoppelt, im Wesentlichen ohne irgendwelche Reflexionen zu erzeugen. Für eine Verbesserung bzw. für eine weitere Herabsetzung der Reflexionen des Anregungslichts wird hierbei linear polarisiertes Licht, welches beispielsweise aus einer Laserdiode als Lichtquelle stammen kann, deren Polarisationsebene parallel zur Einfallsebene eingestellt ist, d.h. p-polarisiertes Licht in dem Brewster-Winkel auf die Seitenflächen des Prismas eingestrahlt. Eine weitere Erhöhung der Effizienz der Ein- und Auskopplung des Anregungslichts ohne unerwünschte Reflexion des Anregungslichts beim Lichtein- und -austritt wird hierbei gemäß der Erfindung dadurch erzielt, dass der Mikrochip der Fluoreszenzdetek- tionsvorrichtung aus einem nicht absorbierenden Material gebildet ist, welches für p-polarisiertes Licht im Brewster-Winkel nicht reflektierend ist. Durch eine derartige Konfiguration wird somit eine Maximierung der Ein- und Auskopplung des Anregungslichts erzielt und gleichzeitig eine Minimierung bzw. vollständige Vermeidung des Streulichts erzielt, weshalb insbesondere Fluoreszenzlicht des anzuregenden oder zu analysierenden Materials ohne jedes Streulicht exakt detektiert werden kann. To achieve this object, the device according to the invention is characterized in that the at least one prism and the carrier for the material to be excited or analyzed are formed as a monolithic microchip, wherein a base surface of the prism forming side of the microchip the carrier for the material to be excited or analyzed on which the material to be excited or analyzed in the total reflection of the excitation light is arranged and that both side surfaces of the prism are arranged in the Brewster angle to the excitation light. By forming the at least one prism and the support for the material to be excited or analyzed as a one-piece microchip, there is no interface in the device between the support for the material to be excited or analyzed and the optical waveguide, namely the prism, whereby an undesired recharge. Flexions or stray light is avoided. Further, by providing the material to be excited or analyzed on which a base surface of the prism-forming side of the microchip is mounted as a carrier, attenuated total reflection (ATR) excitation is achieved. In this case, the material to be excited or analyzed on the side of the prism is illuminated at an angle which is greater than the critical angle of total reflection, for which reason no excitation light intensity emanates from the prism in the region of the material to be excited or analyzed. penetrates, but is completely reflected inside the prism. The substance to be stimulated or to be analyzed, which is simultaneously an absorbing substance for the excitation light and is applied to the same base surface of the prism, is thus excited by an evanescent wave emerging in the near field and causes the emission of fluorescent light, which fluorescence light, subsequently in the Detection unit is evaluated. Furthermore, by locating both side faces of the prism at Brewster's angle to the excitation light, the excitation light is coupled into or out of the prism, substantially without producing any reflections. For an improvement or for a further reduction of the reflections of the excitation light in this case is linearly polarized light, which may for example come from a laser diode as a light source whose polarization plane is set parallel to the plane of incidence, ie p-polarized light in the Brewster angle on the side surfaces of the prism. A further increase in the efficiency of the coupling-in and coupling-out of the excitation light without undesired reflection of the excitation light when light enters and exits is hereby achieved according to the invention in that the microchip of the fluorescence detection device is formed from a non-absorbing material which is suitable for p polarized light is not reflective at the Brewster angle. Such a configuration thus maximizes the coupling and decoupling of the excitation light and at the same time minimizes or completely eliminates the scattered light, which is why, in particular, fluorescent light of the material to be excited or analyzed can be exactly detected without any scattered light.
Indem, wie dies einer Weiterbildung der Erfindung entspricht, die Fluoreszenzdetektions- vorrichtung so ausgebildet ist, dass die den Träger für das anzuregende oder zu analysie- rende Material darstellende Basisfläche des Mikrochips strukturiert ausgebildet ist und dass die Strukturierung eine oder mehrere Komponenten oder Strukturen gewählt aus mikrofluidischen Strukturen und Kanälen, mikrooptischen Strukturen, Elektroden, Ventilen oder Membranen umfasst, gelingt es in einfacher Weise ein sogenanntes Lab-on-a-Chip- System zur Verfügung zu stellen, bei welchem die Zahl der Grenzflächen zwischen dem anzuregenden oder zu analysierenden Material auf ein Minimum herabgesetzt ist, wodurch möglichst viel Anregungslicht in den in dem anzuregenden oder zu analysierenden Material enthaltenen Lumineszenzfarbstoff eingekoppelt wird. Überdies kann mit einer derartigen Vorrichtung bei Einsatz für fluide Materialien die Verwendung von Immersionsflüssigkeiten vermieden werden. Indem, wie dies einer Weiterbildung der Erfindung entspricht, das anzuregende oder zu analysierende Material als Raster aus fluoreszierenden Punkten auf der den Träger ausbildenden Seite bzw. die Basisfläche des Mikrochips aufgebracht ist, gelingt es bei gleichzeitiger effektiver Anregung mit einem herkömmlichen ortsauflösenden Detektor, wie einer CCD-Kamera, ausreichend sensibel die Fluoreszenz des anzuregenden oder zu analysierenden Materials zu messen. Eine Zuordnung der einzeln zu vermessenden Punkte zu einem speziellen Analyten bzw. zu vermessendem Material oder Parameter gelingt mit einer herkömmlichen Software, welche nicht Teil der Erfindung ist. Indem, wie dies einer Weiterbildung der Erfindung entspricht, ein Durchmesser jedes Punkts des Rasters aus fluoreszierenden Punkten 0,05 bis 1 mm, insbesondere 0, 1 bzw. 0,4 mm beträgt, kann bei gleichzeitiger homogener Bestrahlung auch eine Quantifizierung der mittleren Intensität der individuellen Sensorpunkte erreicht werden. Je größer der Raster aus fluoreszierenden Punkten und je größer der Punktdurchmesser ist, desto inhomo- gener werden die Ergebnisse, so dass besonders homogene und aussagekräftige Messwerte erreicht werden können. By, as corresponds to a development of the invention, the fluorescence detection device is designed such that the base of the microchip representing the carrier for the material to be excited or analyzed is structured and that the structuring comprises one or more components or structures Includes microfluidic structures and channels, micro-optical structures, electrodes, valves or membranes, it is possible to provide a so-called lab-on-a-chip system in a simple manner, in which the number of interfaces between the material to be excited or to be analyzed on a minimum is reduced, whereby as much excitation light is coupled into the luminescent dye contained in the material to be excited or analyzed. Moreover, with such a device when used for fluid materials, the use of immersion liquids can be avoided. By, as corresponds to a development of the invention, the material to be excited or analyzed as a grid of fluorescent dots on the carrier forming side or the base surface of the microchip is applied, it is possible with simultaneous effective excitation with a conventional spatially resolving detector, such as a CCD camera, sufficiently sensitive to measure the fluorescence of the material to be excited or analyzed. An assignment of the individually to be measured points to a specific analyte or to be measured material or parameter succeeds with a conventional software, which is not part of the invention. By, as corresponds to a development of the invention, a diameter of each point of the grid of fluorescent dots is 0.05 to 1 mm, in particular 0, 1 and 0.4 mm, with simultaneous homogeneous irradiation and a quantification of the average intensity of individual sensor points can be achieved. The larger the grid of fluorescent dots and the larger the dot diameter, the more inhomogeneous the results, so that particularly homogeneous and meaningful measured values can be achieved.
Um insbesondere eine gleichzeitige Anregung mehrerer zu analysierenden Materialien oder anzuregender Materialien zu ermöglichen ist gemäß einer Weiterbildung die Vorrich- tung so ausgebildet, dass eine Mehrzahl von Prismen auf einem gemeinsamen Mikrochip angeordnet ist und dass die Prismen in eine Oberfläche des Mikrochips integriert sind. Die Mehrzahl von auf einem gemeinsamen Mikrochip angeordneten Prismen ermöglicht es, eine Mehrzahl von Träger für zu analysierendes oder anzuregendes Material und insbesondere beispielsweise eine Mehrzahl von mikrofluidischen Kanälen, welche in die Pris- mengrundfläche eingeschnitten sind, zur Verfügung zu stellen. Mit einer derartigen Ausbildung gelingt es mit einer einzigen Lichtquelle, eine Mehrzahl von beleuchteten Detektionszonen zur Verfügung zu stellen und somit eine kleinbauende Vorrichtung für die gleichzeitige Vermessung von mehreren untereinander gleichen oder verschiedenen Materialien bzw. Detektionszonen zur Verfügung zu stellen. Gemäß einer Weiterbildung kann die Fluoreszenzdetektionsvorrichtung hierbei so ausgebildet sein, dass die Mehrzahl vonIn order to allow, in particular, a simultaneous excitation of a plurality of materials or materials to be excited, according to a development the device is designed such that a plurality of prisms is arranged on a common microchip and that the prisms are integrated into a surface of the microchip. The plurality of prisms arranged on a common microchip makes it possible to provide a plurality of carriers for material to be analyzed or stimulated, and in particular, for example, a plurality of microfluidic channels which are cut into the prism base area. With such a design, it is possible with a single light source, to provide a plurality of illuminated detection zones available and thus to provide a small-sized device for the simultaneous measurement of several mutually identical or different materials or detection zones available. According to a further development, the fluorescence detection device can be designed in this case such that the plurality of
Prismen parallel zueinander mit zu dem Anregungslicht gerichteten Seitenflächen angeordnet ist. Eine andere Variante wird hierbei dadurch erreicht, dass die Mehrzahl von Prismen hintereinander angeordnet ist und ein Lichteinfall des Anregungslichts auf die Prismen nacheinander erfolgt. Indem eine Mehrzahl von Prismen parallel zueinander mit zu dem Anregungslicht gerichteten Seitenflächen angeordnet ist, gelingt es, dass mehrere voneinander verschiedene Proben bzw. eine Mehrzahl untereinander gleicher Proben gleichzeitig mit Anregungslicht zu Emissionen von Fluoreszenzlicht angezeigt werden. Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise für eine Anwendung zur Untersuchung von biologischen Flüssigkeiten oder dgl. bevorzugt, da nur geringste Mengen an Substanz in der Probe enthalten sind und mit einer derartigen Ausbildung insgesamt eine gleich- zeitige und dennoch sehr empfindliche Messung mehrerer Parameter erreicht werden kann indem eine Mehrzahl von Prismen hintereinander angeordnet ist. Prisms is arranged parallel to each other with directed to the excitation light side surfaces. Another variant is achieved in that the plurality of prisms is arranged one behind the other and a light incidence of the excitation light on the prisms takes place one after the other. By arranging a plurality of prisms parallel to one another with side faces directed towards the excitation light, it is possible to obtain a plurality of mutually different samples or a plurality of mutually identical samples be displayed simultaneously with excitation light to emissions of fluorescent light. Such a device is preferred, for example, for an application for the examination of biological fluids or the like, since only very small amounts of substance are contained in the sample and with such a configuration a simultaneous, yet very sensitive measurement of several parameters can be achieved a plurality of prisms is arranged one behind the other.
Wie dies einer Weiterbildung der Erfindung entspricht, kann die Mikro-Fluoreszenzdetek- tionsvorrichtung dahingehend weitergebildet sein, dass die Detektionseinheit dem Schei- tel des Prismas gegenüberliegend angeordnet ist. Insbesondere indem die Detektionseinheit dem Scheitel des Prismas gegenüberliegend angeordnet ist, gelingt es, eine extrem kleinbauende Vorrichtung im Vergleich zu einer Variante, bei welcher die Detektionseinheit der Basisfläche des Prismas gegenüberliegend angeordnet ist, zur Verfügung zu stellen. Weiterhin gelingt es mit einer Mikro-Fluoreszenzdetektionsvorrichtung, bei welcher die Detektionseinheit dem Scheitel des Prismas gegenüberliegend angeordnet ist, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, bei welcher ein extrem einfacher Austausch des Biochips aufgrund der leichten Zugänglichkeit desselben ermöglicht wird und somit die Zeiten und der Aufwand zum Wechsel, der in der Regel zum Einmalgebrauch bestimmten, Analysenchips gegenüber herkömmlichen Bauweisen deutlich herabgesetzt sind. As is the case with a further development of the invention, the micro-fluorescence detection device can be developed such that the detection unit is arranged opposite to the prism of the prism. In particular, by arranging the detection unit opposite the vertex of the prism, it is possible to provide an extremely small-sized device in comparison with a variant in which the detection unit is arranged opposite the base surface of the prism. Furthermore, with a micro-fluorescence detection device in which the detection unit is arranged opposite the apex of the prism, it is possible to provide a device in which an extremely simple replacement of the biochip is made possible due to the ready accessibility thereof and thus the times and the outlay to the change, which are generally determined for single use, analysis chips compared to conventional designs are significantly reduced.
Indem, wie dies einer Weiterbildung der Erfindung entspricht, der gesamte Mikrochip der Mikro-Fluoreszenzdetektionsvorrichtung aus ein und demselben Material, insbesondere aus Kunststoff gebildet ist, gelingt es einerseits ein nicht absorbierendes Medium für das p-polarisierte Licht zur Verfügung zu stellen und andererseits kann eine derartige Vorrich- tung einfach, beispielsweise in einem einzigen Fertigungsschritt, wie mit Spritzgießen,By, as corresponds to a development of the invention, the entire microchip of the micro-fluorescence detection device is made of one and the same material, in particular made of plastic, it is possible on the one hand to provide a non-absorbing medium for the p-polarized light and on the other hand can Such device simple, for example, in a single manufacturing step, such as injection molding,
Heißprägen und dgl. hergestellt werden, wodurch insgesamt der Fertigungsaufwand für die Herstellung der der zum Einmalgebrauch bestimmten, Analysenchips deutlich herabgesetzt ist. Weiterhin gelingt es, indem der gesamte Mikrochip aus ein und demselben Material hergestellt ist, einen inerten Träger für das zu analysierende Material zur Verfü- gung zu stellen und gleichzeitig ein Prisma zur Verfügung zu stellen, welches die für dieHot embossing and the like. Are manufactured, whereby a total of manufacturing costs for the production of disposable, analysis chips is significantly reduced. Furthermore, by making the entire microchip of one and the same material, it is possible to provide an inert carrier for the material to be analyzed while at the same time providing a prism which is suitable for the
Strahlengeometrie, welche für die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung erforderlich ist, erforderlichen Brechzahlen aufweist zur Verfügung zu stellen. Beam geometry, which is required for the apparatus of the present invention to provide required refractive indices.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist hierbei der Mikrochip, insbe- sondere der Biochip aus einem Polymermaterial basierend auf Cycloolefinpolymer (COP), Cycloolefincopolymer (COC), Polykarbonat (PC), Polymethylmethacrylat (PMMA), Poly- styren (PS), Polyethylenterephthalat (PET), Polyacrylat, Polyurethanacrylat (PUA), Poly- uretanmethacrylat (PUMA) oder Polypropylen (PP) gefertigt, insbesondere aus Cyclo- olefinpolymer oder -copolymer (COP/COC), Polykarbonat (PC), Polymethylmethacrylat (PMMA) oder Polystyren (PS) gefertigt. Derartige Materialien sind nicht nur chemisch inert, sondern weisen die für die vorliegende Erfindung erforderlichen Brechzahlen und Transparenz auf und sind wegen ihrer einfachen Verarbeitbarkeit für eine Massenproduktion von Mikrochips für eine Mikro-Fluoreszenzdetektionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet. Um insbesondere das zu analysierende oder das anzuregende Material vor einem übermäßigen Fotobleichen zu schützen, ist gemäß einer Weiterbildung die Vorrichtung so ausgebildet, dass sie in einem Gehäuse, insbesondere einem Aluminiumgehäuse oder Kunststoffgehäuse angeordnet ist und dass im Inneren des Gehäuses eine Trennwand für eine Trennung in ein Abteil enthaltend die Lichtquelle und ein Abteil enthaltend die Detektions- Vorrichtung, angeordnet ist. Durch die Abteilung des Gehäuses der Mikro-Fluoreszenz- detektionsvorrichtung in ein Abteil enthaltend die Lichtquelle und ein Abteil enthaltend die Detektionsvorrichtung kann die Lichtquelle kontinuierlich betrieben werden und gleichzeitig das zu analysierende Material bzw. das anzuregende Material vor einem Fotobleichen geschützt werden. Insbesondere wenn die Lichtquelle, wie beispielsweise eine Laserdiode kontinuierlich betrieben wird, wird die Lebensdauer desselben gegenüber einer Lichtquelle, die häufig an- und ausgeschaltet wird, deutlich erhöht. According to a preferred development of the invention, the microchip, in particular the biochip, is made of a polymer material based on cycloolefin polymer (COP), cycloolefin copolymer (COC), polycarbonate (PC), polymethyl methacrylate (PMMA), poly (poly (meth) acrylate). styrene (PS), polyethylene terephthalate (PET), polyacrylate, polyurethane acrylate (PUA), polyuretane methacrylate (PUMA) or polypropylene (PP), in particular of cycloolefin polymer or copolymer (COP / COC), polycarbonate (PC), polymethyl methacrylate (PMMA) or polystyrene (PS) made. Such materials are not only chemically inert, but have the index of refraction and transparency required for the present invention and, because of their ease of processing, are suitable for mass production of microchips for a micro-fluorescence detection device according to the present invention. In order to protect in particular the material to be analyzed or the material to be stimulated against excessive photobleaching, the device is designed according to a development that it is arranged in a housing, in particular an aluminum housing or plastic housing and that inside the housing, a partition for a separation in a compartment containing the light source and a compartment containing the detection device is arranged. By the department of the housing of the micro-fluorescence detection device in a compartment containing the light source and a compartment containing the detection device, the light source can be operated continuously and at the same time the material to be analyzed or the material to be excited are protected from photobleaching. In particular, when the light source, such as a laser diode, is operated continuously, its lifetime is significantly increased over a light source that is frequently turned on and off.
Um sicherzustellen, dass auch für konvergente oder divergente Strahlenbündel des Anregungslichts jeder einzelne Lichtstrahl unter einem Brewster-Winkel auf die Seitenfläche des Prismas auftrifft, ist die Erfindung dahingehend weitergebildet, dass die Seitenflächen des Prismas als gekrümmte Freiformflächen ausgebildet sind. In order to ensure that even for convergent or divergent bundles of rays of the excitation light, each individual light beam strikes the side surface of the prism at a Brewster angle, the invention is developed such that the side surfaces of the prism are formed as curved free-form surfaces.
Die vorliegende Erfindung zielt weiterhin auf ein Verfahren zur Detektion von Fluoreszenzlicht in einer Mikro-Fluoreszenzdetektionsvorrichtung ab, bei welcher die Menge an stö- rendem Streulicht auf eine Detektionseinheit auftrifft, minimiert wird und gleichzeitig sicher und reproduzierbar wiederholbare Ergebnisse erzielt werden. The present invention further relates to a method for detecting fluorescent light in a micro-fluorescence detection device, in which the amount of interfering stray light impinging on a detection unit is minimized, while at the same time reliably and reproducibly reproducible results are achieved.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße Verfahren im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungslicht im Brewster-Winkel auf die Seitenfläche des Prismas eingestrahlt wird, dass das unmittelbar auf der Basisfläche des Prismas angeordnete anzuregende oder zu analysierende Material unter einem Winkel, der größer als ein kritischer Winkel einer Totalreflexion ist, zur Emission von Fluoreszenzlicht angeregt wird. To achieve this object, the method according to the invention is essentially characterized in that the excitation light is irradiated at the Brewster angle on the side surface of the prism that the material to be excited or to be analyzed is arranged directly on the base surface of the prism at an angle which is greater as a critical angle of total reflection is excited to emit fluorescent light.
Indem das Anregungslicht im Brewster-Winkel auf die Seitenfläche des Prismas einge- strahlt wird, wird sichergestellt, dass das Anregungslicht in das Prisma ein- und ausgekoppelt werden kann, ohne dass unerwünschte Reflexion des Anregungslichts beim Lichtein- und -austritt aus dem Prisma erzeugt wird, wodurch die Messgenauigkeit und insbesondere das Signal-zu-Rausch-Verhältnis einer Messung deutlich verbessert werden kann. Indem weiterhin das anzuregende oder zu analysierende Material direkt auf der Basisfläche des Prismas angeordnet ist und unter einem Winkel, der größer als der kritische Winkel der Totalreflexion ist, beleuchtet wird, wird weiterhin sichergestellt, dass keine Anregungsintensität des Anregungslichts aus dem Prisma an der Fläche des Prismas, auf welcher die zu detektierende bzw. anzuregende Probe bzw. das anzuregende Material aufgebracht ist, herausdringt, wodurch wiederum das Signal-zu-Rausch-Verhält- nis einer Messung deutlich verbessert werden kann und insbesondere exakte und scharfe Messpunkte bzw. Messlinien des generierten Fluoreszenzlichts in einer Detektionseinheit erhalten werden können. By irradiating the excitation light at the Brewster angle on the side face of the prism, it is ensured that the excitation light can be coupled into and out of the prism without unwanted reflection of the excitation light being generated from the prism during light entry and exit , whereby the measurement accuracy and in particular the signal-to-noise ratio of a measurement can be significantly improved. Further, by arranging the material to be excited or analyzed directly on the base surface of the prism and illuminated at an angle greater than the critical angle of total reflection, it is further ensured that no excitation intensity of the excitation light from the prism at the surface of the prism Prism, on which the to be detected or to be excited sample or the material to be excited is applied, penetrates, which in turn the signal-to-noise ratio of a measurement can be significantly improved and in particular exact and sharp measurement points or lines of the generated Fluorescent light can be obtained in a detection unit.
Indem, wie dies einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens entspricht, gleichzeitig eine Mehrzahl von anzuregenden oder zu analysierenden Materialien detek- tiert wird, wird einerseits die Geschwindigkeit des Messverfahrens erhöht und andererseits sichergestellt, dass eine Mehrzahl von verschiedenen zu analysierenden Substanzen rasch und unkompliziert analysiert wird oder eine Mehrzahl von untereinander gleichen Substanzen analysiert werden kann, wodurch nach einer entsprechenden Mitteilung der Messfehler im Vergleich zu herkömmlichen Messverfahren deutlich herabgesetzt werden kann. By simultaneously detecting a plurality of materials to be excited or analyzed, the speed of the measuring method is increased on the one hand and on the other hand it is ensured that a plurality of different substances to be analyzed are analyzed quickly or simply a plurality of mutually identical substances can be analyzed, whereby, after a corresponding communication, the measurement errors can be significantly reduced compared to conventional measurement methods.
Wenn, wie dies einer Weiterbildung einer Erfindung entspricht, das Verfahren so geführt wird, dass die gleichzeitig zu detektierende Mehrzahl von anzuregenden oder zu analysie- renden Materialien auf einer Mehrzahl von parallel zueinander angeordneten Basisflächen von Prismen aufgebracht wird, bzw. dass die gleichzeitig zu detektierende Mehrzahl von anzuregenden oder zu analysierenden Materialien auf einer Mehrzahl von hintereinander angeordneten Basisflächen von Prismen aufgebracht wird, wird die Mehrzahl von Prismen mit ein und demselben Anregungslicht hintereinander beaufschlagt und angeregt, wo- durch ein und dieselbe Probe mehrmals angeregt werden kann und auf diese Weise fehlerhafte Messungen bzw. Auslesefehler nach einer Detektion in der Detektionsvorrich- tung durch direkten Vergleich der Messergebnisse mit Sicherheit hintangehalten werden können. If, as is the case with a further development of an invention, the method is carried out such that the plurality of materials to be excited or analyzed simultaneously are applied to a plurality of prism faces arranged parallel to one another or to be simultaneously detected If a plurality of materials to be stimulated or analyzed are applied to a plurality of prisms arranged in a row, the plurality of prisms are applied and excited in succession with one and the same excitation light, whereby one and the same sample can be excited several times and thus faulty Measurements or read-out errors after detection in the detection device tion can be withheld by direct comparison of the measurement results with certainty.
Indem, wie dies einer Weiterbildung der Erfindung entspricht, das anzuregende oder zu analysierende Material als Raster aus fluoreszierenden Punkten auf der Basisfläche des Prismas aufgebracht wird, gelingt es bei gleichzeitiger effektiver Anregung mit einem herkömmlichen ortsauflösenden Detektor, wie einer CCD-Kamera, ausreichend sensibel die Fluoreszenz des anzuregenden oder zu analysierenden Materials zu messen. Dadurch, dass, wie dies einer Weiterbildung der Erfindung entspricht, die fluoreszierenden Punkte durch Bindung von fluoreszenzmarkierten Molekülen aus einer Lösung auf an der Basisfläche des Prismas festgelegten Fänger- oder Sondenmolekülen gebildet werden, erlaubt die Vorrichtung den Nachweis und die Quantifizierung von in der Probelösung vorhandenen Analyten. Hierfür werden die fluoreszierenden Punkte durch die Anla- gerung/Bindung von mit Fluoreszenzfarbstoffen markierten Molekülen oder Partikeln, wie Oligonukleotide, Proteine, Peptide, Biomarker, Antikörper, Antigene, etc. aus der zur analysierenden Lösung an auf der Basisfläche des Prismas punktförmig aufgebrachten Bindungspartner, d.h. wiederum entsprechende komplementäre Oligonukleotide, Proteine, Antigene, etc. gebildet werden, wird der Nachweis und die Quantifizierung von in der Probelösung vorhandenen Analyten möglich. By applying the material to be excited or analyzed as a grid of fluorescent dots on the base surface of the prism, as is the case with a further development of the invention, it is possible with sufficient sensitivity to simultaneously excite with a conventional spatially resolving detector, such as a CCD camera Fluorescence of the material to be excited or analyzed. By virtue of the fact that, as is the case with a further development of the invention, the fluorescent dots are formed by binding fluorescently labeled molecules from a solution to capture or probe molecules fixed to the prism base surface, the apparatus permits the detection and quantification of samples present in the sample solution analytes. For this purpose, the fluorescent points are determined by the attachment / binding of fluorescence-dye-labeled molecules or particles, such as oligonucleotides, proteins, peptides, biomarkers, antibodies, antigens, etc., from the binding partner applied to the analyzing solution at the base surface of the prism, ie In turn corresponding complementary oligonucleotides, proteins, antigens, etc. are formed, the detection and quantification of existing in the sample solution analytes is possible.
Indem, wie dies einer Weiterbildung der Erfindung entspricht, das Verfahren so geführt wird, dass gleichzeitig eine Mehrzahl von verschiedenen Parametern von einem oder mehreren anzuregenden oder zu analysierenden Material(ien) analysiert wird, können bei- spielsweise in biologischen Proben verschiedene Bestandteile, wie beispielsweise Nukleinsäuresequenzen, Proteine, Peptide, Biomarker, Pathogene, Viren und dgl. detektiert und quantifiziert werden indem an der Basisfläche des Prismas entsprechende Sondenmoleküle zur Bindung dieser Probenbestantteile aufgebracht sind gleichzeitig oder auch hintereinander detektiert werden, wodurch eine Vielzahl von wesentlichen Messsignalen rasch und unkompliziert erhalten werden. By carrying out the method in such a way that at the same time a plurality of different parameters are analyzed by one or more materials to be stimulated or analyzed, various components, for example, can be used in biological samples Nucleic acid sequences, proteins, peptides, biomarkers, pathogens, viruses and the like can be detected and quantified by corresponding probe molecules are attached to the base surface of the prism for binding these sample components simultaneously or sequentially detected, whereby a variety of essential measurement signals are obtained quickly and easily ,
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In dieser zeigen The invention will be explained in more detail with reference to embodiments shown in the drawing. In this show
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Mikro-Fluoreszenzdetektionsvorrichtung ge- mäß der vorliegenden Erfindung. Fig. 2 eine schematische Darstellung von im Brewster-Winkel auf die Seitenflächen eines in ein Trägersubstrat integrierten Prismas einfallendem Licht. 1 is a schematic representation of a micro-fluorescence detection device according to the present invention. 2 shows a schematic representation of light incident at the Brewster angle on the side surfaces of a prism integrated in a carrier substrate.
Fig. 3 eine teilweise perspektivische Darstellung eines auf einem Trägersubstrat aufgebrachten Prismas sowie die schematische Darstellung des Lichtdurchtritts durch dieses Prisma.  Fig. 3 is a partial perspective view of a prism applied to a carrier substrate and the schematic representation of the passage of light through this prism.
Fig. 4 eine zur Fig. 3 ähnliche Darstellung mit einer Mehrzahl von auf einem Träger integrierten Prismen,  4 shows a representation similar to FIG. 3 with a plurality of prisms integrated on a support,
Fig. 5 eine Mehrzahl von hintereinander angeordneten Prismen, welche nach und nach durch Anregungslicht durchdrungen werden, gemäß einer anderen Ausbildung der Erfin- dung und  5 shows a plurality of successively arranged prisms, which are gradually penetrated by excitation light, according to another embodiment of the invention and
Fig.6 ein Diagramm betreffend die Fluoreszenzabbildung und die zeitliche Auswertung der Fluoreszenzintensität für eine Streptavidinkonzentration von 7 nM.  6 shows a diagram relating to the fluorescence imaging and the temporal evaluation of the fluorescence intensity for a streptavidin concentration of 7 nM.
Im Einzelnen ist die Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Mikro-Fluoreszenzdetek- tionsvorrichtung 1 gezeigt, in welcher aus einer Lichtquelle 2 beispielsweise einer Laserdiode ein Bündel aus linear polarisiertem Licht auf einen Strahlschärfer 3 aufgebracht und von diesem das schematisch dargestellte Strahlbündel 4, welches eine Polarisation in einer zur Einfallsebene 5 des Prismas 6 parallelen Ebene aufweist, einfällt. Das Strahlbündel 4, welches mit der Einfallsebene 5 den in Fig. 1 nicht eingezeichneten den Brewster-Winkel einschließt, wird im Inneren des Prismas 6 gebrochen, wird an einer Basisfläche 7 des Prismas 6 vollständig reflektiert und tritt an einer zweiten Seitenfläche 8 des Prismas 6 wiederum unter dem Brewster-Winkel aus dem Inneren des Prismas 6 aus. Auf der Basisfläche 7 sind insbesondere in dem Bereich, wo die Totalreflexion des Strahlbündels 4 stattfindet, eine Mehrzahl von fluoreszierenden Punkten 9, insbesondere ein Raster aus fluoreszierenden Punkten 9 in einem mikrofluidischen System aufgebracht.1 shows a schematic representation of a micro-fluorescence detection device 1, in which a bundle of linearly polarized light is applied from a light source 2, for example a laser diode, to a beam sharpener 3 and from this the schematically illustrated beam 4, which is a Polarization in a plane parallel to the plane of incidence 5 of the prism 6, is incident. The beam 4, which includes the Brewster angle with the plane of incidence 5 not shown in FIG. 1, is refracted inside the prism 6, is completely reflected at a base surface 7 of the prism 6 and enters at a second side surface 8 of the prism 6 again from the inside of the prism 6 at the Brewster angle. On the base surface 7, a plurality of fluorescent dots 9, in particular a grid of fluorescent dots 9 are applied in a microfluidic system, in particular in the area where the total reflection of the beam 4 takes place.
Das mikrofluidische System ist in Fig. 1 durch die Vertiefung 10, welche der Basisfläche 7 des Prismas 6 ausgebildet ist, schematisch dargestellt und soll beispielsweise einen Mikrokanal symbolisieren. Die fluoreszierenden Punkte 9 können bei einer derartigen Ausbildung einen Durchmesser von je 0,05 bis 1 insbesondere 0, 1 bis 0,4 mm aufweisen. Indem sich die Punkte 9 bzw. der Raster von Punkten 9 des anzuregenden oder zu analysierenden Materials befinden, wird sie/er prismenseitig, d.h. auf der Seite der Oberfläche 7 des Prismas 6 unter einem Winkel, welcher größer als der kritische Winkel der Totalreflexion ist, beleuchtet, weshalb keinerlei Anregungslicht aus dem Prisma 6 herausdringt. Dadurch, dass sich eine absorbierende Substanz, insbesondre in den Punkten 9 auf der Oberfläche 7 des Prismas 6 befindet, kann diese durch eine im Nahfeld austretende evanszente Welle angeregt werden und das nach Anregung emittierte Fluoreszenzlicht 1 1 wird in der Folge durch eine Kameralinse 12, welche eine Sammellinse darstellt, wiederum fokussiert und durch einen Detektor 13, welcher beispielsweise eine CCD-Kamera ist und einer in Fig. 1 nicht dargestellten Auswerteelektronik ausgewertet. Um das Auftreten von jeglichem Streulicht zu vermeiden, sind hierbei mehrere wesentliche Merkmale eingehalten, einerseits ist nur eine Grenzfläche zwischen dem Prisma 6 und der zu analysierenden Probe 9 vorhanden und somit ein ansonsten nötiger Verbund des Prismas mit einem separaten Träger, auf welchem die zu analysierenden Moleküle aufgebracht werden können, vermieden. The microfluidic system is shown schematically in FIG. 1 through the depression 10, which is formed on the base surface 7 of the prism 6, and is intended, for example, to symbolize a microchannel. The fluorescent dots 9 can have a diameter of 0.05 to 1 in particular 0, 1 to 0.4 mm in such a configuration. By locating the points 9 or the grid of points 9 of the material to be excited or analyzed, it is prism-side, ie on the side of the surface 7 of the prism 6 at an angle which is greater than the critical angle of total reflection, illuminated, why no excitation light from the prism 6 penetrates. By virtue of the fact that an absorbing substance, in particular at points 9, is located on surface 7 of prism 6, it can be excited by an evanescent wave emerging in the near field and the fluorescent light 1 1 emitted after excitation is subsequently focused by a camera lens 12, which is a converging lens, again and evaluated by a detector 13, which is for example a CCD camera and an evaluation, not shown in Fig. 1. In order to avoid the occurrence of any stray light, several essential features are observed, on the one hand only an interface between the prism 6 and the sample to be analyzed 9 is present and thus an otherwise necessary composite of the prism with a separate carrier on which to analyze Molecules can be applied avoided.
Weiterhin ist es wesentlich, dass das Prisma 6 aus einem nicht absorbierenden Medium gebildet ist, da nicht absorbierende Medien für p-polarisiertes Licht, d.h. Licht, dessen Polarisationsebene parallel zu Einfallsebene 5 des Prismas 6 eingestellt ist, d.h. für Licht, welches im Brewster-Winkel auf die Einfallsebene 5 des Prismas 6 auftrifft, nicht reflektie- rend sind. Schließlich wird das Licht im Brewster-Winkel auf die Oberfläche des Prismas eingestrahlt. Der Brewster-Winkel (qß) ist hierbei durch die Formel tan (qe)
Figure imgf000013_0001
definiert, wobei ni und n2 die Brechungsindices der beteiligten Medien, d.h. im vorliegenden Fall Luft und das Material des Prismas 6 sind. Durch Einhalten einer derartigen Konfiguration, gelingt es, eine Messung des emittierten Fluoreszenzlichtes durchzuführen, welche absolut frei von unerwünschten Reflexionen des Anregungslichts ist, sodass das Signal-zu-Rauschverhältnis der Messung optimiert ist. Schließlich ist in der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform die Detektionseinheit 13 auf der Seite des Scheitels 14, im vorliegenden Fall einer Scheitelfläche, des Prismas 6 angeordnet. Eine derartige Konfiguration ist gegenüber der ebenfalls von der vorliegenden Erfindung umfassten Konfiguration, in welcher die Detektionseinheit 13 auf der Seite der zu analysierenden bzw. anzuregenden Probe 9 angeordnet ist, auf Grund ihres verringerten Platzbedarfes begünstigt, da durch Anordnung von sowohl der Lichtquelle 2 als auch der
Furthermore, it is essential that the prism 6 is formed of a non-absorbing medium, since non-absorbing media for p-polarized light, ie light, the plane of polarization is set parallel to plane of incidence 5 of the prism 6, ie for light, which in the Brewster- Angle incident on the plane of incidence 5 of the prism 6, are not reflective. Finally, the light is irradiated at the Brewster angle on the surface of the prism. The Brewster angle (qβ) is given here by the formula tan (qe)
Figure imgf000013_0001
ni and n2 are the refractive indices of the participating media, ie in the present case air and the material of the prism 6. By maintaining such a configuration, it is possible to perform a measurement of the emitted fluorescent light, which is absolutely free of unwanted reflections of the excitation light, so that the signal-to-noise ratio of the measurement is optimized. Finally, in the embodiment illustrated in FIG. 1, the detection unit 13 is arranged on the side of the vertex 14, in the present case a vertex surface, of the prism 6. Such a configuration is favored over the configuration also contemplated by the present invention, in which the detection unit 13 is disposed on the side of the sample 9 to be analyzed, because of its reduced space requirement, by arranging both the light source 2 and of the
Detektionseinheit 13 auf der Seite des Prismas 6 eine verbesserte Zugängigkeit der die Proben aufweisen Oberfläche 7 des Prismas erreicht wird und somit beispielsweise ein Tausch des gesamten Prismas 6 bedeutend einfacher möglich ist, als bei einer Anordnung, in welcher die Lichtquelle 2 und die Detektionseinheit 13 auf verschiedenen Seiten des Prismas 6 angeordnet sind. In Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines Trägers mit integriertem Prisma, d.h. ein Mikrochip 15 gemäß der Erfindung gezeigt. In dem Mikrochip 15 ist das Prisma 6 als Teil der Basisfläche des Mikrochips 15 ausgebildet und eine Grenzfläche zwischen dem Chip 15 und dem Prisma 6 existiert nicht, sodass die Zahl der optischen Grenzflächen mini- miert ist. Detection unit 13 on the side of the prism 6, an improved accessibility of the samples surface 7 of the prism is achieved and thus, for example, a replacement of the entire prism 6 is much easier possible than in an arrangement in which the light source 2 and the detection unit 13 on different sides of the prism 6 are arranged. FIG. 2 shows a schematic representation of a carrier with integrated prism, ie a microchip 15 according to the invention. In the microchip 15, the prism 6 is formed as part of the base surface of the microchip 15, and an interface between the chip 15 and the prism 6 does not exist, so that the number of optical interfaces is minimized.
In Fig. 4 ist weiterhin das Bündel von einfallenden Lichtstrahlen 4 dargestellt, welche auf die Oberfläche 5 des Prismas 6 unter dem Brewster-Winkel qe einfallen. Im Inneren des Prismas 6 wird das einfallende Lichtbündel 4 zur Basisfläche 7 gebrochen und von dort reflektiert und tritt an der an der Seitenfläche 8 wiederum unter dem Brewster-Winkel qß aus dem Prisma 6 aus. Das in Fig. 2 dargestellte Prisma 6 ist hierbei ein herkömmliches Prisma 6 mit einem Scheitel und einer Basisfläche 7. In Fig. 4, the bundle of incident light beams 4 is further shown, which incident on the surface 5 of the prism 6 at the Brewster angle qe. In the interior of the prism 6, the incident light beam 4 is refracted to the base surface 7 and reflected therefrom and exits at the on the side surface 8 again at the Brewster angle qß from the prism 6. The prism 6 shown in FIG. 2 is a conventional prism 6 having a vertex and a base surface 7.
In Fig. 3 ist eine ähnliche Darstellung wie in Fig. 2 in der Perspektive gezeigt, wobei das Prisma 6 in Fig. 3 als stumpfes Prisma 6 mit zwei waagrechten Seiten ausgebildet ist. Auch in Fig. 3 ist der Weg des Lichtes schematisch durch die Linie 16 angedeutet. In Fig. 3 ebenso wie in Fig. 4 ist die Basisfläche 7 ebenso wie auch in Fig. 1 des Prismas 6 verlängert dargestellt und stellt somit die Basis des Mikrochips 15 dar. Hierbei ist das Prisma 6 direkt an dem Mikrochip 15 angeformt, wie dies durch die punktierte Linie 17 schema- tisch dargestellt ist, um die Zahl der Grenzflächen zu minimieren. In Fig. 3 is a similar view as shown in Fig. 2 in perspective, wherein the prism 6 is formed in Fig. 3 as a blunt prism 6 with two horizontal sides. Also in Fig. 3, the path of the light is indicated schematically by the line 16. In Fig. 3 as well as in Fig. 4, the base surface 7 as well as in Fig. 1 of the prism 6 is shown extended and thus represents the base of the microchip 15. In this case, the prism 6 is formed directly on the microchip 15, as this is shown schematically by the dotted line 17 in order to minimize the number of interfaces.
In Fig. 4 ist eine Mehrzahl von Prismen 6, welche analog zu jenen von Fig. 3 ausgebildet sind, parallel zueinander auf einem Mikrochip 15 angeordnet, wobei jedes der Prismen 6 durch Licht beaufschlagt ist, wobei der Lichtweg wiederum schematisch mit 16 bezeichnet ist. Hierbei kann die Lichtquelle 2, welche die Mehrzahl von Prismen 6 beaufschlagt, eine gemeinsame Lichtquelle 2 sein oder es kann eine Mehrzahl von parallel zueinander angeordneten Lichtquellen 2 verwendet werden. In FIG. 4, a plurality of prisms 6, which are formed analogously to those of FIG. 3, are arranged parallel to each other on a microchip 15, wherein each of the prisms 6 is acted upon by light, wherein the light path is again schematically designated 16. In this case, the light source 2, which acts on the plurality of prisms 6, may be a common light source 2 or a plurality of light sources 2 arranged parallel to one another may be used.
Schließlich ist in der Darstellung von Fig. 5 eine Mehrzahl von Prismen 6 dargestellt, wel- che hintereinander angeordnet sind und welche durch ein Lichtbündel 4 nacheinander durchdrungen werden. Aufgrund der Tatsache, dass das einfallende Licht 6 wiederum im Brewster-Winkel qB auf die Oberfläche 5 des Prismas 6 auftrifft und exakt im Brewster- Winkel qß aus dem ersten Prisma 6 austritt, gelingt es sämtliche Prismen 6 mit exakt der gleichen Lichtgeometrie zu beaufschlagen, sodass Fehler aufgrund von Streulicht, wel- ches durch die Nichteinhaltung der Lichtgeometrie bewirkt sein können, vermieden werden. In der Darstellung von Fig. 5 sind weiterhin in der Basisfläche 7 des Prismas 6 wiederum Vertiefungen 10 dargestellt, welche Mikrokanäle symbolisieren sollen, in welchen fluides Material geführt sein kann. Es erübrigt sich, festzuhalten, dass die Prismengeometrie beliebig gewählt werden kann und dass beispielsweise auch Freiformprismen eingesetzt werden können, welche zur Kompensation von möglichen Strahlendivergenzen angewandt werden. Finally, in the representation of FIG. 5, a plurality of prisms 6 are shown, which are arranged one behind the other and which are penetrated successively by a light bundle 4. Due to the fact that the incident light 6 again impinges on the surface 5 of the prism 6 at the Brewster angle qB and emerges from the first prism 6 exactly at the Brewster angle qβ, it is possible to apply all the prisms 6 with exactly the same light geometry. so that errors due to stray light, which may be caused by non-observance of the light geometry, are avoided. In the illustration of FIG. 5, recesses 10 are again shown in the base surface 7 of the prism 6, which are intended to symbolize microchannels in which fluid material can be guided. Needless to say that the Prismengeometrie can be chosen arbitrarily and that, for example, free-form prisms can be used, which are used to compensate for possible radiation divergences.
Die Erfindung wird weiterhin nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. The invention will be further explained below with reference to an embodiment.
Beispiel 1 : Example 1 :
Ein Biochip gemäß Fig.3 mit den Außenmaßen 25 x 75 mm wird durch Heißpressen oder Spritzgießen aus COP Material, nämlich einem thermoplastischen Polyolefinharz, welches unter dem Markennamen Zeonor® 1060R (eine Marke der Zeon Corporation) vertrieben wird, hergestellt, wobei der Chip ein integriertes Prisma beinhaltet, dessen Winkel der Seitenflächen zur Basisfläche 33,2° betragen.  A biochip according to FIG. 3 with external dimensions of 25 × 75 mm is produced by hot pressing or injection molding of COP material, namely a thermoplastic polyolefin resin marketed under the trade name Zeonor® 1060R (a trademark of Zeon Corporation), the chip incorporating a includes integrated prism whose angle of the side surfaces to the base surface amount to 33.2 °.
Auf der Basisfläche dieses Prismas wird mit Biotin funktionalisiertes bovines Serumalbumin (BSA) in Form eines punktförmigen Rasters aufgedruckt. Anschließend wird dieser Chip mit einem weiteren Chip, in welchem ein mikrofluidisches Kanalsystem bestehend aus mindestens einem Kanal, welcher es erlaubt eine Probelösung über den auf der Basisfläche des Prismas aufgebrachten Raster zu leiten und in welchem weiterhin ein Flüssigkeitsein- und -auslass) eingearbeitet ist, verbunden. Auf diese Weise wurde ein Mikrochip, insbesondere Biochip zur Detektion von Biotin oder Biotin bindenden Protei- nen, wie Streptavidin oder Neutravidin hergestellt. Biotin-functionalized bovine serum albumin (BSA) is imprinted on the base surface of this prism in the form of a dot-shaped raster. Subsequently, this chip is incorporated with another chip, in which a microfluidic channel system consisting of at least one channel, which allows a sample solution to be passed over the grid applied on the base surface of the prism and in which a liquid inlet and outlet is further incorporated, connected. In this way, a microchip, in particular a biochip, was prepared for the detection of biotin or biotin-binding proteins, such as streptavidin or neutravidin.
In den mikrofluidischen Kanal wird nun eine Probe oder Lösung welche eine bestimmte Menge an Biotin und an mit dem Fluoreszenzfarbstoff Cy3 markiertes Streptavidin enthält eingebracht und in Folge die Fluoreszenzintensität des auf der Basisfläche des Prismas aufgedruckten Rasters mit einer CCD Kamera verfolgt. Eine entsprechende Zunahme derA sample or solution containing a certain amount of biotin and streptavidin labeled with the fluorescent dye Cy3 is then introduced into the microfluidic channel and the fluorescence intensity of the grid printed on the base surface of the prism is subsequently monitored with a CCD camera. A corresponding increase in
Fluoreszenzintensität mit der Inkubationszeit zeigt eine Bindung des Cy3 markierten Streptavidin an die aufgedruckten Rasterpunkte aus biotinyliertem BSA an. Die Geschwindigkeit dieses Anstiegs bzw. die erreichbaren Fluoreszenzintensitäten hängen von der Konzentration von Biotin und Streptavidin in der Probelösung ab. Die entsprechende Fluoreszenzabbildung und die zeitliche Auswertung der Fluoreszenzintensität sind für eine Cy3 Streptavidinkonzentration von 7nM in Fig.6 gezeigt. Fluorescence intensity with incubation time indicates binding of the Cy3-labeled streptavidin to the printed halftone dots of biotinylated BSA. The rate of this increase or the achievable fluorescence intensities depend on the concentration of biotin and streptavidin in the sample solution. The corresponding fluorescence imaging and the temporal evaluation of the fluorescence intensity are shown for a Cy3 streptavidin concentration of 7 nM in FIG.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e : P atent claims:
1. Mikro-Fluoreszenzdetektionsvorrichtung (1 ) umfassend eine Lichtquelle (2) zur Generierung von linear polarisiertem Anregungslicht (4), wenigstens ein Prisma (6) mit dessen Basisfläche (7) ein Träger für ein anzuregendes oder zu analysierendes Material verbunden ist, sowie eine parallel zu dem Träger für das anzuregende oder zu analysierende Material angeordnete Detektionseinheit (13), dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Prisma (6) und der Träger für das anzuregende oder zu analysierende Material als einstückiger Mikrochip (15) ausgebildet sind, wobei eine Basisfläche (7) des Prismas (6) ausbildende Seite des Mikrochips (15) den Träger für das anzuregende bzw. zu analysierende Material ausbildet, auf welcher das anzuregende oder zu analysierende Material im Bereich der Totalreflexion des Anregungslichts (4) angeordnet ist und dass beide Seitenflächen (5, 8) des Prismas (6) im Brewster-Winkel (qe) zum Anregungslicht (4) angeordnet sind. 1. Micro-fluorescence detection device (1) comprising a light source (2) for generating linearly polarized excitation light (4), at least one prism (6) to whose base surface (7) a carrier for a material to be excited or analyzed is connected, and a Detection unit (13) arranged parallel to the carrier for the material to be excited or analyzed, characterized in that the at least one prism (6) and the carrier for the material to be excited or analyzed are designed as a one-piece microchip (15), with a base surface (7) side of the microchip (15) forming the prism (6) forms the carrier for the material to be excited or analyzed, on which the material to be excited or analyzed is arranged in the area of total reflection of the excitation light (4) and that both side surfaces (5, 8) of the prism (6) are arranged at the Brewster angle (qe) to the excitation light (4).
2. Mikro-Fluoreszenzdetektionsvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die den Träger für das anzuregende oder zu analysierende Material darstellende Basisfläche (7) des Mikrochips (15) strukturiert ausgebildet ist und dass die Strukturierung (10) eine oder mehrere Komponenten oder Strukturen gewählt aus mikrofluidischen Struk- turen und Kanälen, mikrooptischen Strukturen, Elektroden, Ventilen oder Membranen um- fasst. 2. Micro-fluorescence detection device (1) according to claim 1, characterized in that the base surface (7) of the microchip (15) which represents the carrier for the material to be excited or analyzed is designed to be structured and that the structuring (10) contains one or more components or structures selected from microfluidic structures and channels, micro-optical structures, electrodes, valves or membranes.
3. Mikro-Fluoreszenzdetektionsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das anzuregende oder zu analysierende Material als Raster aus fluoreszie- renden Punkten (9) auf die Basisfläche (7) des Mikrochips (15), insbesondere in mikrofluidischen Strukturen ( 0) und Kanälen des Mirkochips (15) aufgebracht ist. 3. Micro-fluorescence detection device according to claim 1 or 2, characterized in that the material to be excited or analyzed is applied as a grid of fluorescent dots (9) to the base surface (7) of the microchip (15), in particular in microfluidic structures (0). and channels of the microchip (15) is applied.
4. Mikro-Fluoreszenzdetektionsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchmesser jedes Punkts des Rasters aus fluoreszierenden Punkten 0,05 bis 1 mm, insbesondere 0, 1 bzw. 0,4 mm beträgt 4. Micro-fluorescence detection device according to claim 3, characterized in that a diameter of each point of the grid of fluorescent points is 0.05 to 1 mm, in particular 0, 1 or 0.4 mm
5. Mikro-Fluoreszenzdetektionsvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Prismen (6) auf einem gemeinsamen Mikrochip (15) angeordnet ist und dass die Prismen (6) in eine Oberfläche des Mikrochips (15) integriert sind. 5. Micro-fluorescence detection device (1) according to one of claims 1 to 4, characterized in that a plurality of prisms (6) is arranged on a common microchip (15) and that the prisms (6) are embedded in a surface of the microchip (15 ) are integrated.
6. Mikro-Fluoreszenzdetektionsvorrichtung (1 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Prismen (6) parallel zueinander mit zu dem Anregungslicht (4) gerichteten Seitenflächen (5) angeordnet ist. 6. Micro-fluorescence detection device (1) according to claim 5, characterized in that the plurality of prisms (6) are arranged parallel to one another with side surfaces (5) directed towards the excitation light (4).
7, Mikro-Fluoreszenzdetektionsvorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Prismen (6) hintereinander angeordnet ist und ein Lichteinfall des Anregungslichts (4) nacheinander erfolgt. 7, micro-fluorescence detection device (1) according to claim 5, characterized in that the plurality of prisms (6) are arranged one behind the other and the excitation light (4) is incident one after the other.
8. Mikro-Fluoreszenzdetektionsvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da- durch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit (13) dem Scheitel (14) des Prismas (6) gegenüberliegend angeordnet ist. 8. Micro-fluorescence detection device (1) according to one of claims 1 to 7, characterized in that the detection unit (13) is arranged opposite the vertex (14) of the prism (6).
9. Mikro-Fluoreszenzdetektionsvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Mikrochip (15) aus ein und demselben Material, insbesondere aus einem Kunststoff gebildet ist. 9. Micro-fluorescence detection device (1) according to one of claims 1 to 9, characterized in that the entire microchip (15) is formed from one and the same material, in particular from a plastic.
10. Mikro-Fluoreszenzdetektionsvorrichtung (1 ) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrochip (15) aus einem Polymermaterial basierend auf Cycloolefinpolymer (COP), Cycloolefincopolymer (COC), Polykarbonat (PC), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polystyren (PS), Polyethylenterephthalat (PET), Polyacrylat, Polyurethanacrylat (PUA), Polyuretanmethacrylat (PUMA) oder Polypropylen (PP) gefertigt ist, insbesondere aus Cycloolefinpolymer oder -copolymer (COP/COC), Polykarbonat (PC), Polymethylmethacrylat (PMMA) oder Polystyren (PS) gefertigt ist. 10. Micro-fluorescence detection device (1) according to claim 9, characterized in that the microchip (15) made of a polymer material based on cycloolefin polymer (COP), cycloolefin copolymer (COC), polycarbonate (PC), polymethyl methacrylate (PMMA), polystyrene (PS) , polyethylene terephthalate (PET), polyacrylate, polyurethane acrylate (PUA), polyurethane methacrylate (PUMA) or polypropylene (PP), in particular made of cycloolefin polymer or copolymer (COP/COC), polycarbonate (PC), polymethyl methacrylate (PMMA) or polystyrene (PS ) is manufactured.
1 1. Mikro-Fluoreszenzdetektionsvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikro-Fluoreszenzdetektionsvorrichtung (1 ) in einem Gehäuse, insbesondere Aluminiumgehäuse oder Kunststoffgehäuse angeordnet ist und dass im Inneren des Gehäuses eine Trennwand für eine Trennung in ein Abteil enthaltend die Lichquelle (2) und ein Abteil enthaltend die Detektionseinheit (13), angeordnet ist. 1 1. Micro-fluorescence detection device (1) according to one of claims 1 to 10, characterized in that the micro-fluorescence detection device (1) is arranged in a housing, in particular an aluminum housing or plastic housing, and that inside the housing there is a partition for separation a compartment containing the light source (2) and a compartment containing the detection unit (13) are arranged.
12. Mikro-Fluoreszenzdetektionsvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenflächen (5, 8) des Prismas (6) als gekrümmte Freiformflächen ausgebildet sind. 12. Micro-fluorescence detection device (1) according to one of claims 1 to 11, characterized in that the side surfaces (5, 8) of the prism (6) are designed as curved free-form surfaces.
13. Verfahren zur Detektion von Fluoreszenzlicht in einer Mikro-Fluoreszenzdetektions- vorrichtung (1 ), eines auf einem mit einer Basisfläche (7) eines Prismas (6) verbundenen Träger angeordneten, anzuregenden oder zu analysierenden Materials, bei welchem linear polarisiertes Licht (4) von einer Anregungslichtquelle (2) auf eine Seitenfläche (5) des Prismas (6) gerichtet wird, wobei an der Basisfläche (7) des Prismas (6) das anzuregende oder zu analysierende Material zur Emission von Fluoreszenzlicht unter gleichzeiti- ger Reflexion des Anregungslichts angeregt wird und das von dem anzuregenden oder zu analysierenden Material emittierte Fluoreszenzlicht in einer Detektionseinheit (13) ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungslicht im Brewster-Winkel (qB) auf die Seitenfläche (5) des Prismas (6) eingestrahlt wird und dass das unmittelbar auf der Basisfläche (7) des Prismas (6) angeordnete anzuregende oder zu analysierende Material unter einem Winkel, der größer als ein kritischer Winkel einer Totalreflexion ist, zur Emission von Fluoreszenzlicht angeregt wird. 13. Method for detecting fluorescent light in a micro-fluorescence detection device (1), one connected to a base surface (7) of a prism (6). Material arranged on a carrier to be excited or analyzed, in which linearly polarized light (4) is directed from an excitation light source (2) onto a side surface (5) of the prism (6), whereby on the base surface (7) of the prism (6). The material to be excited or analyzed is excited to emit fluorescent light with simultaneous reflection of the excitation light and the fluorescent light emitted by the material to be excited or analyzed is evaluated in a detection unit (13), characterized in that the excitation light is at the Brewster angle (q B ) is irradiated onto the side surface (5) of the prism (6) and that the material to be excited or analyzed, which is arranged directly on the base surface (7) of the prism (6), is at an angle that is greater than a critical angle of total reflection, is stimulated to emit fluorescent light.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig eine Mehrzahl von anzuregenden oder zu analysierenden Materialien detektiert wird. 14. The method according to claim 13, characterized in that a plurality of materials to be excited or analyzed are detected at the same time.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die gleichzeitig zu detektierende Mehrzahl von anzuregenden oder zu analysierenden Materialien auf einer Mehrzahl von parallel zueinander angeordneten Basisflächen (7) von Prismen (6) aufgebracht wird. 15. The method according to claim 13 or 14, characterized in that the simultaneously detected plurality of materials to be excited or analyzed is applied to a plurality of base surfaces (7) of prisms (6) arranged parallel to one another.
16. Verfahren nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die gleichzeitig zu detektierende Mehrzahl von anzuregenden oder zu analysierenden Materialien auf einer Mehrzahl von hintereinander angeordneten Basisflächen (7) von Prismen (6) aufgebracht wird. 16. The method according to claim 13, 14 or 15, characterized in that the simultaneously detected plurality of materials to be excited or analyzed is applied to a plurality of base surfaces (7) of prisms (6) arranged one behind the other.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das anzuregende oder zu analysierende Material als Raster aus fluoreszierenden Punkten auf der Basisfläche (7) des Prismas (6) aufgebracht wird. 17. The method according to any one of claims 13 to 16, characterized in that the material to be excited or analyzed is applied as a grid of fluorescent dots on the base surface (7) of the prism (6).
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die fluoreszierenden Punkte durch Bindung von fluoreszenzmarkierten Molekülen aus einer Lösung auf an der Basisfläche (7) des Prismas (6) festgelegten Fänger- oder Sondenmolekülen gebildet werden. 18. The method according to claim 17, characterized in that the fluorescent points are formed by binding fluorescently marked molecules from a solution to catcher or probe molecules fixed to the base surface (7) of the prism (6).
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig eine Mehrzahl von verschiedenen Parametern von einem oder mehreren anzuregenden oder zu analysierenden Material(ien) analysiert wird. 19. The method according to any one of claims 13 to 18, characterized in that a plurality of different parameters of one or more materials to be excited or analyzed are analyzed at the same time.
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