WO2022136373A1 - Vorrichtung und verfahren zur detektion mindestens einer substanz - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur detektion mindestens einer substanz Download PDF

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WO2022136373A1
WO2022136373A1 PCT/EP2021/086998 EP2021086998W WO2022136373A1 WO 2022136373 A1 WO2022136373 A1 WO 2022136373A1 EP 2021086998 W EP2021086998 W EP 2021086998W WO 2022136373 A1 WO2022136373 A1 WO 2022136373A1
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photonic crystal
substance
light
intensity signal
tuning
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PCT/EP2021/086998
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Holger Baur
Moritz Bommer
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CMO-SYS GmbH
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    • G01N2021/7769—Measurement method of reaction-produced change in sensor
    • G01N2021/7776—Index

Definitions

  • the invention relates to a device for detecting at least one substance, comprising: a photonic crystal with a surface which has at least one detection area and at least one reference area, the substance to be detected being able to be deposited in the detection area and the substance to be detected not being able to be deposited in the reference region is, whereby the addition of the substance to be detected causes a resonance in the transmission and/or reflection spectrum of the photonic crystal in the detection area to be spectrally shifted relative to the reference area, a light source for irradiating light onto the surface of the photonic crystal, and a detector for Measurement of a first intensity signal of the light reflected or transmitted in the detection area of the surface of the photonic crystal and for measuring a second intensity signal of the light reflected in the reference area of the surface of the photonic crystal ref reflected or transmitted light.
  • the invention also relates to a method for detecting at least one substance, comprising the steps of: irradiating light onto a surface of a photonic crystal, the surface having at least one detection area and at least one reference area, with the substance to be detected accumulating in the detection area and in the reference area does not accumulate, with a resonance in the transmission and/or reflection spectrum of the photonic crystal in the detection area being shifted spectrally relative to the reference area as a result of the addition of the substance to be detected, and measuring a first intensity signal of the light reflected or transmitted in the detection area of the surface of the photonic crystal and measuring a second intensity signal of the light reflected or transmitted in the reference area of the surface of the photonic crystal.
  • the substance that accumulates on the surface in the detection area can be a biological substance, for example.
  • the surface of the photonic crystal in the detection area is usually functionalized with biological/organic substances.
  • a suitable biological substance e.g. an antibody
  • This change in refractive index means that a resonance in the transmission and/or reflection spectrum of the photonic crystal in the detection area shifts spectrally relative to the same resonance in the transmission and/or reflection spectrum of the photonic crystal in the reference area.
  • the resonance in the reference area does not shift when the substance is present on the surface, since the reference area is not functionalized, so that the substance to be detected does not accumulate in the reference area.
  • the spectral shift of the resonance in the transmission and/or reflection spectrum of the photonic crystal can be detected, for example, by analyzing the transmission and/or reflection spectrum of the photonic crystal with a spectrometer.
  • a measurement setup used for this purpose is complex and associated with high costs.
  • Another approach to detecting biological substances using the spectral shift of resonances in the transmission and/or reflection spectrum of a photonic crystal is described in WO 2011/091781 A1.
  • a light source which radiates light into a photonic crystal brought into contact with the substance, is tuned to the photonic crystal in such a way that the resonances caused by the photonic crystal and the resonances caused by the interaction of the photonic crystal with the substance occur in a flank area of the Emission spectrum of the light source are.
  • reference areas in addition to the functionalized areas, reference areas in the form of Not to use functionalized areas where the substances to be detected cannot accumulate.
  • the reference areas make it possible to eliminate fluctuations and/or drift in the measured intensity, which affect the detection areas and the reference areas alike. Position-dependent fluctuations and/or drift in the measurement can also be eliminated if a respective non-functionalized reference area is arranged adjacent to a functionalized detection area.
  • the reference area can surround the detection area in a ring.
  • this object is achieved by the device mentioned at the outset, in which the light source has at least one edge in its spectrum that is spectrally tunable in the resonance range of the photonic crystal, or in which the light source is broadband and the device has a modulable edge Spectral filter for filtering the light reflected or transmitted in the detection area and in the reference area of the surface of the photonic crystal, wherein the filter spectrum of the spectral filter has at least one edge, the range of resonance of the photonic crystal is spectrally tunable, and in which the device has a evaluation device which is designed to detect the substance by comparing the first intensity signal measured during the tuning with the second intensity signal measured during the tuning.
  • the measured intensity signals can be interpreted as the result of a convolution of the spectrum of the light source with the transmission or reflection spectrum of the photonic crystal in the resonance range.
  • the high signal-to-noise ratio is a consequence of the fact that the entire transmission and reflection spectrum in the resonance range is reflected in the measured intensity signals. This is in marked contrast to the device described in WO 2011/091781 A1, in which only a weighted integral over the transmission spectrum of the photonic crystal in the resonance range is included in the evaluation.
  • the above reasoning applies analogously to the alternative in which the light source is broadband and the device comprises a spectral filter that can be modulated for filtering the light reflected or transmitted by the surface of the photonic crystal.
  • the evaluation device is designed to determine a shift of an edge of the first intensity signal measured during the tuning relative to a corresponding edge of the second intensity signal measured during the tuning when comparing the intensity signals.
  • the shift in resonance in the transmission or reflection spectrum of the photonic crystal caused by the accumulation of the substance in the detection area is expressed in the shift of an edge of the first intensity signal measured during the tuning relative to a corresponding edge of the second intensity signal measured during the tuning.
  • the substance can therefore be detected via the relative shift of the flank in the first intensity signal to the corresponding flank in the second intensity signal.
  • This relative shift of the edges can be determined by using the distance in the values of the arguments of the intensity signals, which correspond to a certain proportion of the saturation values or the maximum values of the respective (normalized) intensity signals.
  • this relative displacement of the flanks can be determined, for example, by determining the distance between two straight lines that are fitted to the flanks. It goes without saying that the relative displacement between the two flanks can also be determined in another way.
  • the substance can be detected, for example, by comparing the distance between the flanks or the amount of displacement with a threshold value and inferring that the substance has accumulated if the threshold value is exceeded. It is also possible to observe the course over time of the amount of displacement during repeated, generally continuous, tuning of the edge in the resonance range. In this case, the accumulation of the substance to be detected can be recognized, for example, by means of an increase over time in the magnitude of the displacement.
  • the evaluation device is designed to determine the concentration of the substance to be detected by means of a relationship determined by calibration between the shift of the edge of the first intensity signal measured during the tuning relative to the corresponding edge of the second intensity signal measured during the tuning and the concentration of the substance to be detected.
  • the relationship between the concentration of the substance and the amount of relative displacement between the two flanks can be determined, for example, by bringing a liquid containing the substance at a known concentration into contact with the surface and determining the associated value of the displacement becomes.
  • the known concentration of the substance in the liquid is not determined in the manner described above. If this process is repeated several times with liquids containing different, known concentrations of the substance, a relationship between the concentration of the substance in the liquid and the amount of the shift can be determined in the form of a calibration curve.
  • the light source comprises a broadband primary light source and a spectral filter, preferably an edge filter or a bandpass filter, which generates the flank in the spectrum of the light source, the spectral filter being modulated in order to reduce the flank in the spectrum of the light source in the region of resonance of the photonic crystal tune spectrally.
  • a spectral filter preferably an edge filter or a bandpass filter, which generates the flank in the spectrum of the light source, the spectral filter being modulated in order to reduce the flank in the spectrum of the light source in the region of resonance of the photonic crystal tune spectrally. It is favorable for the detection of the substance if the spectral filter has at least one very steep edge. The spectral tuning of a single flank of the spectral filter in the resonance range of the photonic crystal is sufficient for the detection, so that a cut-off filter with a possible spectral filter is used steep edge can be used. It is not detrimental to the detection of the substance if the spectral filter has two or more flanks.
  • a generally comparatively narrow-band bandpass filter can therefore be used for the detection.
  • the bandwidth of the bandpass filter is preferably of the order of magnitude of the width of the resonance of the reflection or transmission spectrum of the photonic crystal.
  • modulating the spectral filter to tune the edge There are various options for modulating the spectral filter to tune the edge.
  • an angle at which the spectral filter is aligned relative to the beam direction of the light source can be set for modulation of the spectral filter.
  • the spectral filter can be an interference filter, for example.
  • the spectral filter that can be modulated can also be implemented, for example, on the basis of an acousto-optical modulator or a combination of diffraction gratings and a liquid crystal modulator.
  • the spectral filter which is used to filter the light reflected or transmitted on the surface of the photonic crystal, can be designed accordingly.
  • the light source is a tunable laser.
  • the intensity spectrum of the light source has a maximum intensity at the laser wavelength and two flanks falling steeply from the maximum intensity at shorter and longer wavelengths than the laser wavelength.
  • tuning the laser wavelength which is carried out in a manner known per se for the laser, both flanks of the spectrum of the laser are spectrally shifted.
  • the laser wavelength or the range in which the Tuning of the laser wavelength is possible in this case is tuned to the range of resonance of the photonic crystal.
  • a first linear polarization filter is arranged in the beam path of the light radiated onto the surface of the photonic crystal, and a second linear polarization filter rotated by 90° with respect to the first linear polarization filter is arranged in the beam path of the light reflected or transmitted by the surface.
  • the crossed linear polarization filters can be used to filter out scattered light on the one hand and reflected light on the other hand, which has not interacted with the modes of the photonic crystal.
  • a circular polarization filter is arranged in the common beam path of the light radiated onto the surface of the photonic crystal and the light reflected from the surface. Light that has not interacted with the modes of the photonic crystal can also be filtered out with the aid of a circular polarization filter.
  • the above device comprises a supply device for supplying a liquid to the surface of the photonic crystal, the substance to be detected being contained in the liquid.
  • the feed device can be designed to feed the liquid in the form of a liquid stream, for example in a chamber, over the surface of the photonic crystal and to remove it from the surface again.
  • the supply device it is also possible for the supply device to be designed to supply the liquid, for example in the form of a single drop of blood, to the surface without the liquid being removed from the surface again.
  • the photonic crystal together with the delivery device forms a sensor unit which can be introduced into the device and which can be exchanged for another sensor unit as soon as the detection of the substance has been completed.
  • the above-mentioned object is also achieved by the method mentioned at the outset, which comprises the following additional steps: spectral tuning of at least one flank in the spectrum of the light radiated onto the surface in the resonance range of the photonic crystal or spectral filtering of the light in the detection range and of the light reflected or transmitted in the reference region of the surface of the photonic crystal with a filter spectrum that has at least one edge, and spectral tuning of this edge, and detecting the substance by comparing the first intensity signal measured during the tuning with the second intensity signal measured during the tuning intensity signal.
  • the shift of an edge of the first intensity signal measured during the tuning relative to a corresponding edge of the second intensity signal measured during the tuning is determined.
  • the spectral shift of the resonance in the Accumulation of the substance in the detection area can be determined very precisely.
  • a concentration of the substance is determined during detection, specifically by means of a relationship determined by calibration between the shift of the edge of the first intensity signal measured during the tuning relative to the corresponding edge of the second intensity signal measured during the tuning and the concentration of the substance to be detected.
  • the relationship between the concentration of the substance and the displacement of the flank can be determined in the manner described above in connection with the device.
  • FIG. 1a,b,c schematic representations of three exemplary embodiments of a device which has a photonic crystal with a surface for the accumulation of substances to be detected, a light source and a detector
  • Fig. 2 is a representation of the surface of the photonic
  • FIG. 4a-c representations of a first and a second
  • Intensity signal which are measured during the tuning of the edge in a detection area and in a reference area of the surface.
  • FIG. 1a,b,c show a device 1 which is designed to detect a number of different (eg biological) substances 2.
  • FIG. The device 1 comprises a light source 3, which is designed to radiate light 4 onto a planar, structured surface 5a of a photonic crystal 5.
  • the photonic crystal 5 has a periodic structure on the surface 5a.
  • the light source 3 comprises collimating optics, not illustrated, in order to collimate the light 4 from the light source 3 and along a beam direction onto the Irradiate surface 5a of the photonic crystal 5, which runs horizontally in FIG. 1a,b.
  • the radiated light 4 passes through the volume of the photonic crystal 5 and part of the radiated light 4 interacts with the structured surface 5a of the photonic crystal 5, with a proportion of the light being reflected.
  • the reflected light 4a impinges on a detector which, in the example shown, is designed as a spatially resolving detector, more precisely as a camera 6 .
  • An evaluation device 7 has a signal connection with the camera 6 in order to evaluate the images recorded by the camera 6, as will be described in more detail below.
  • the incident light 4 is aligned perpendicularly to the surface 5a of the photonic crystal 5.
  • the detected reflected light 4a is also aligned perpendicular to the surface 5a of the photonic crystal 5 in this device.
  • the beam splitter 8 can be used to separate the beam path of the incident light 4 and the beam path of the reflected light 4a usually be dispensed with.
  • the angle of incidence at which the incident light 4 strikes the surface 5a of the photonic crystal 5 can deviate from the angle at which the light 4a reflected on the surface 5a is detected by the camera 6.
  • a first linear polarization filter 9a is arranged in front of the beam splitter 8 in the beam path of the light 4 radiated onto the surface 5a of the photonic crystal 5 in order to polarize the radiated light 4 linearly.
  • a second linear polarization filter 9b is arranged in the beam path of the light 4a reflected by the surface 5a of the photonic crystal 5, the alignment of which is rotated by 90° with respect to the first linear polarization filter 9a.
  • the second linear polarization filter 9b only transmits reflected light 4a whose polarization direction is rotated by 90° to the polarization direction of the light 4 linearly polarized at the first linear polarization filter 9a and radiated onto the surface 5a.
  • the light 4 radiated onto the surface 5a of the photonic crystal 5 is circularly polarized by the circular polarization filter 9 .
  • the light 4a reflected from the surface 5a of the photonic crystal 5 passes through the circular polarization filter 9 again before it hits the detector 6 .
  • Light 4a reflected from the surface 5a of the photonic crystal 5, which interacts with the modes of the photonic crystal 5, loses the property of circular polarization and is thus not suppressed if the filter and mode axes have a parallel component.
  • the circular polarization filter 9 shown in FIG. 1b can also be used in the devices 1 shown in FIG. 1a, c instead of the two linear polarization filters 9a, b.
  • the two linear polarization filters 9a, b of FIGS. 1a, c can also be used in the device 1 of FIG. 1b instead of the circular polarization filter 9.
  • the device 1 of Fig. La,b,c also includes a feed device
  • the supply device 10 for supplying a liquid 11 to the surface of the photonic crystal 5.
  • the supply device 10 has a Supply line 12 for supplying the liquid 11 to a chamber 13 which encloses the surface 5a of the photonic crystal 5.
  • the liquid 11 is discharged from the chamber 13 via a discharge line 14 .
  • the delivery device 10 is a microfluidic device.
  • the device 1 serves to detect substances 2 contained in the liquid 10 .
  • the substances 2 can be dissolved or suspended in the liquid 10, for example.
  • a large number of different substances 2 in different types of liquids 11 can be detected with the aid of the device 1 shown in FIGS.
  • the substances 2 can in particular be biological substances.
  • the liquid 10 is human blood and the substances 2 to be detected are biological substances, more precisely biomarkers in the form of antibodies.
  • the device 1 enables the detection or verification of antigens and/or antibodies in human blood and can therefore be used, for example, as proof of the presence of an infection, e.g. a viral infection, or an immune reaction.
  • the delivery device 10 can, for example, form a disposable sensor unit with the photonic crystal 5 and the chamber 12, which is introduced into the device 1 for the detection of the substance 2. After detection, the sensor unit against a exchanged another sensor unit, as described in the above-cited article by Ms. S. Jahns et al. is described.
  • the device 1 can of course also be used to detect other substances 2 that are contained in other liquids 11, for example to detect bacteria, antibodies, antigens, etc. in milk, blood plasma, or lymph, or impurities in water, etc It is also possible to detect crystallization on correspondingly functionalized detection areas (eg by means of crystallization nuclei).
  • a plurality of detection areas 15 are formed on the surface 5a of the photonic crystal 5 .
  • a respective detection area 15 is functionalized with biological/organic materials in a manner known per se.
  • a suitable biological substance 2 e.g. an antibody, can dock to a respective functionalized detection area 15 of the surface 5a, which leads to a change in the refractive index in the immediate vicinity of the surface 5a of the photonic crystal 5 at the respective detection area 15 .
  • the surface 5a outside of the detection areas 15 is not functionalized, ie a respective substance 2 to be detected cannot dock to the surface 5a outside of the functionalized detection areas 15 .
  • Ring-shaped reference areas 16 are shown in FIG. 2 which surround a respective circular functionalized detection area 15 .
  • the reference areas 16 are not functionalized and basically do not differ from the remaining surface 5a outside of the detection areas 15. For the However, only reflected light 4a, which is reflected by the respective detection area 15 on the surface 5a of the photonic crystal 5, and reflected light 4a, which is reflected by a respective reference area 16 on the surface 5a of the photonic crystal 5, are used for the evaluation described below.
  • a position-dependent background drift, temperature drift or changes in position and angle of the sample (deformation), etc. can be eliminated. It goes without saying that the geometry of the functionalized detection areas 15 shown in FIG. 2 can deviate from a circular geometry. The geometry of the reference areas 16 can also deviate from the circular geometry shown in FIG. 2 . If necessary, a common reference area 16 can be used in the evaluation for two or more of the detection areas 15 .
  • the detection of a substance 2 which is deposited on one of the detection areas 15 is described below with reference to FIGS. 3a, b and 4a-c.
  • the subsequently described detection of the substance 2 at one of the detection areas 15 can take place at the same time as other substances 2 at the other detection areas 15 on the surface 5a of the photonic crystal 5 .
  • the detection areas 15 can be functionalized for the detection or for the detection of different substances 2, but it is also possible that two or more detection areas 15 are functionalized for the detection of one and the same substance 2.
  • the accumulation of the substance 2 on the detection area 15 results in a change in the refractive index in the vicinity of the surface 5a of the photonic crystal 5 .
  • the surface 5a of the photonic crystal 5 is structured and thus forms a system similar to the behavior of electrons in the semiconductor for photons.
  • the structuring of the photonic crystal 5 produces a reflection spectrum with a wavelength-dependent reflectivity R, which has a resonance 17 (resonance peak), as shown in FIGS. 3a, b.
  • the reflection spectrum of the photonic crystal 5 has more than one resonance 17, but only one resonance 17 is required for the evaluation described below, so that further resonances are not shown in the reflection spectrum of FIGS. 3a, b.
  • the resonance 17 in the functionalized detection area 15 has a first resonance wavelength X D
  • the same resonance 17 in the reference area 15 has a second resonance wavelength X R , which differs from the first Resonance wavelength X D differs.
  • flanks 18a, b can be tuned in the region of resonance 17 in a wavelength interval between a minimum wavelength MIN and a maximum wavelength ⁇ MAX .
  • the minimum wavelength MIN is slightly smaller than the second resonance wavelength R of the resonance 17 in the reference area 16.
  • the maximum wavelength ⁇ MAX is slightly larger than the largest possible first resonance wavelength D in the detection area 15.
  • the largest possible first resonance wavelength ⁇ MAX is achieved when the Substance 2 has accumulated at all available places in the functionalized detection area 15, ie when the saturation of the functionalized detection area 15 with the substance 2 has been reached.
  • the wavelength interval ⁇ MAX - MIN in which the edge 18a, b of the intensity I of the light source 3 or the edge 18a, b of the filter spectrum of the spectral filter 20 can be tuned can be of the order of approximately 10 nm, for example.
  • the device 1 shown in FIG. 1a differs from the device shown in FIG.
  • spectral filter 20 is a narrow-band bandpass filter with a high edge steepness.
  • the spectral filter 20 can be modulated in order to spectrally tune the flanks 18a, b in the region of the resonance 17 of the photonic crystal 5.
  • the light source 3 has an actuator 21 for modulating the spectral filter 20, which makes it possible to set an angle ⁇ at which the spectral filter 20 is aligned with the beam direction of the light source 3.
  • the spectral filter 20 can be tilted by an angle a of +/-10°, starting from a basic position in which the spectral filter 20 is aligned perpendicular to the beam direction of the collimated light 4 of the light source 3.
  • the spectral filter 20 is a suitably designed interference filter.
  • a spectral filter 20 in the form of a bandpass filter another type of spectral filter, for example an edge filter, can also be used, which has only a single edge instead of the two edges 18a, b.
  • the device shown in FIG. 1b differs from the device shown in FIG.
  • the spectral filter is modulated here as indicated in the description of FIG.
  • the light source of the device 1 shown in FIG. 1c is in the form of a tunable laser 3 .
  • the tunable laser 3 has a narrow-band spectrum with two flanks 18a, b that drop steeply from a laser wavelength L.
  • flank or flanks 18a, b in the spectrum of the light source 3 or in the filter spectrum, which is/are spectrally tuned in the range of the resonance 17, are as steep as possible.
  • 4a-c each show a first intensity signal I D and a second intensity signal I R , which are measured while the flanks 18a, b of the spectrum of the light source 3 are being tuned.
  • the first intensity signal I D is calculated from the intensities of the pixels of the image of the detection area 15 on the detector surface of the camera 6, for example by averaging.
  • the second intensity signal I R is calculated from the intensities of the pixels of the image of the reference area 16 on the detector surface of the camera 6, again for example by averaging.
  • 4a-c show the two intensity signals I D , I R for different settings of the angle a when tuning the spectral filter 20 in the form of the bandpass filter of FIG.
  • another suitable calculation e.g. a weighted averaging, of the intensities of the pixels of the image of the detection area 15 to calculate the first intensity signal I D or of the pixels of the image of the reference area 16 to the calculation of the second intensity signal I R can be used .
  • the number indicated on the abscissa corresponds to the number of a respective image recorded by the camera.
  • the camera 6 can be designed, for example, to record a number of approximately 100 images per second at constant time intervals.
  • the intensity signals I D , I R are plotted against the wavelength. Such a plot is possible since there is a clear relationship between the respective angular position of the spectral filter 20 or the associated recorded image and the wavelength ⁇ . It goes without saying that instead of numbering the recorded images or the wavelength X, the intensity signals ID, I R can also be plotted over time or over another suitable variable.
  • FIG. 4a shows the intensity signals I D , I R when the spectral filter 20 is tuned over the entire adjustable range of variation of the angle o from -10° to +10°, the image with the number zero in FIG corresponds to an angular position of -10° and the image with the number 600 corresponds to an angular position of +10°.
  • the wavelength of the swept flank 18a, b decreases in both directions, which is why the signal shown in Fig. 4a essentially moves to the basic position (the image with the number 300) results in a symmetrical representation.
  • the first intensity signal I D is shifted in comparison to the second intensity signal I R due to the spectral shift of the resonance 17 shown in Fig Spectral filter 20 from smaller to larger wavelengths, initially the resonance 17 at the second resonance wavelength X R and at a later point in time the resonance 17 at the first resonance wavelength X R shifted by the spectral offset AX is swept by the flanks 18a, b.
  • the spectral offset AX can therefore be determined on the basis of a comparison between the first and the second intensity signal I D , I R and the accumulation of the substance 2 can be detected on the basis of the magnitude of the spectral offset AX.
  • the comparison between the two intensity signals I D , I R is preferably carried out in an intensity range in which they have the steepest possible rise.
  • the comparison takes place on a steeply rising edge 22 of the first intensity signal I D and on a corresponding, steeply rising edge 22' of the second intensity signal I R .
  • the relative shift AX of the edge 22 in the first intensity signal I D to the corresponding edge 22' in the second intensity signal I R is determined in the example shown by using the distance in the values of the arguments of the intensity signals I D I R which corresponds to a certain proportion of the correspond to saturation or maximum values of the intensity signals I D , I R .
  • the maximum values of the intensity signals I D , IR were each normalized to one in FIGS. 4a-c.
  • the shift AX between the two flanks 22, 22' is determined at an intensity value which corresponds to a proportion of 80% of the maximum intensities of the two intensity signals I D , I R . It goes without saying that the shift AX can also be determined for a different proportion of the maximum intensities of the two intensity signals I D , I R , for example at 60% or at 40% of the maximum intensities. If necessary, for the determination of Shift AX, an average of several values determined for the shift AX for different portions of the maximum intensities can also be formed. It goes without saying that the relative displacement of the flanks 22, 22' can also be determined in another way, for example by using the distance between two straight lines which are fitted to the respective flank 22, 22'.
  • the accumulation of the substance 2 to be detected in the detection area 15 can be detected on the basis of the displacement AX.
  • the course over time of the amount of the shift AX can be observed during the repeated, continuous tuning of the spectral filter 20 and the accumulation of the substance 2 to be detected can be recognized from an increase in the amount of the shift AX.
  • the accumulation of the substance 2 on the detection area 15 can also be detected by comparing the amount of the displacement AX with a predetermined threshold value and inferring the accumulation of the substance 2 when the threshold value is exceeded.
  • the evaluation device 7 determines the concentration of the substance 2 to be detected in the liquid 11 .
  • the value of the displacement AX between the two flanks 22, 22' determined in the manner described above, is related to the concentration of the substance 2 in the liquid 11 using a relationship determined by calibration.
  • the calibration can be carried out, for example, by bringing the same liquid 11 with different concentrations of the substance 2 to be detected into contact with the surface 5a of the photonic crystal and thereby determining the value of the displacement AX between the two flanks 22, 22'.
  • the concentration of the substance 2 in the liquid 11 is in this case determined with the help of another suitable measurement setup. In this way, a calibration curve can be recorded, which enables the concentration of the substance 2 deposited in the liquid 11 to be measured.
  • the photonic crystal 5 and the detector 6 can be arranged along a rectilinear optical bench. In this case, however, the light transmitted from the surface 5a passes through the liquid 11 before it strikes the detector 6. It is therefore generally necessary for the liquid to be essentially transparent to the light transmitted by the photonic crystal 5 .

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Detektion mindestens einer Substanz (2), mit: einem photonischen Kristall (5) mit einer Oberfläche (5a), die mindestens einen Detektionsbereich und mindestens einen Referenzbereich aufweist, wobei in dem Detektionsbereich die zu detektierende Substanz (2) anlagerbar ist und in dem Referenzbereich die zu detektierende Substanz (2) nicht anlagerbar ist, wobei sich durch die Anlagerung der zu detektierenden Substanz (2) eine Resonanz (17) im Transmissions- und/oder Reflexionsspektrum des photonischen Kristalls (5) in dem Detektionsbereich relativ zu dem Referenzbereich spektral verschiebt, einer Lichtquelle (3) zur Einstrahlung von Licht (4) auf die Oberfläche (5a) des photonischen Kristalls (5) und einem Detektor (6) zur Messung eines ersten Intensitätssignals (ID) des in dem Detektionsbereich der Oberfläche (5a) des photonischen Kristalls (5) reflektierten oder transmittierten Lichts (4a) und zur Messung eines zweiten Intensitätssignals ( R) des in dem Referenzbereich der Oberfläche (5) des photonischen Kristalls (IR) reflektierten oder transmittierten Lichts (4a). Die Lichtquelle (3) weist in ihrem Spektrum mindestens eine Flanke auf, die im Bereich der Resonanz (17) des photonischen Kristalls (5) spektral durchstimmbar ist. Alternativ ist die Lichtquelle (3) breitbandig und die Vorrichtung (1) umfasst einen modulierbaren Spektralfilter (20) zur Filterung des reflektierten oder transmittierten Lichts (4a), wobei das Filterspektrum des Spektralfilters (20) mindestens eine Flanke aufweist, die Bereich der Resonanz des photonischen Kristalls (5) spektral durchstimmbar ist. Die Vorrichtung (1) weist auch eine Auswerteeinrichtung (7) auf, die ausgebildet ist, mittels eines Vergleichs des während der Durchstimmung gemessenen ersten Intensitätssignals (ID) mit dem während der Durchstimmung gemessenen zweiten Intensitätssignal (IR) die Substanz (2) zu detektieren. Die Erfindung betrifft auch ein zugehöriges Verfahren.

Description

B E S C H RE I B U N G
Vorrichtung und Verfahren zur Detektion mindestens einer Substanz
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion mindestens einer Substanz, umfassend: einen photonischen Kristall mit einer Oberfläche, die mindestens einen Detektionsbereich und mindestens einen Referenzbereich aufweist, wobei in dem Detektionsbereich die zu detektierende Substanz anlagerbar ist und in dem Referenzbereich die zu detektierende Substanz nicht anlagerbar ist, wobei sich durch die Anlagerung der zu detektierenden Substanz eine Resonanz im Transmissions- und/oder Reflexionsspektrum des photonischen Kristalls in dem Detektionsbereich relativ zu dem Referenzbereich spektral verschiebt, eine Lichtquelle zur Einstrahlung von Licht auf die Oberfläche des photonischen Kristalls, sowie einen Detektor zur Messung eines ersten Intensitätssignals des in dem Detektionsbereich der Oberfläche des photonischen Kristalls reflektierten oder transmittierten Lichts und zur Messung eines zweiten Intensitätssignals des in dem Referenzbereich der Oberfläche des photonischen Kristalls reflektierten oder transmittierten Lichts.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Detektion mindestens einer Substanz, umfassend die Schritte: Einstrahlen von Licht auf eine Oberfläche eines photonischen Kristalls, wobei die Oberfläche mindestens einen Detektionsbereich und mindestens einen Referenzbereich aufweist, wobei sich die zu detektierende Substanz im Detektionsbereich anlagert und im Referenzbereich nicht anlagert, wobei sich durch die Anlagerung der zu detektierenden Substanz eine Resonanz im Transmissions- und/oder Reflexionsspektrum des photonischen Kristalls im Detektionsbereich relativ zum Referenzbereich spektral verschiebt, sowie Messen eines ersten Intensitätssignals des in dem Detektionsbereich der Oberfläche des photonischen Kristalls reflektierten oder transmittierten Lichts und Messen ein zweiten Intensitätssignals des in dem Referenzbereich der Oberfläche des photonischen Kristalls reflektierten oder transmittierten Lichts.
Bei der Substanz, die sich in dem Detektionsbereich an der Oberfläche anlagert, kann es sich beispielsweise um eine biologische Substanz handeln. Um eine biologische Substanz anlagern zu können, wird die Oberfläche des photonischen Kristalls in dem Detektionsbereich in der Regel mit biologischen/organischen Substanzen funktionalisiert. Nach dem Schlüssel- Schloss-Prinzip kann eine passende biologische Substanz, z.B. ein Antikörper, an dem funktionalisierten Detektionsbereich der Oberfläche andocken, was zu einer Brechungsindexänderung in der unmittelbaren Umgebung des Detektionsbereichs an der Oberfläche führt. Diese Brechungsindexänderung hat zur Folge, dass sich eine Resonanz im Transmissions- und/oder Reflexionsspektrum des photonischen Kristalls in dem Detektionsbereich relativ zu derselben Resonanz im Transmissions- und/oder Reflexionsspektrum des photonischen Kristalls in dem Referenzbereich spektral verschiebt. Die Resonanz in dem Referenzbereich verschiebt sich bei der Anwesenheit der Substanz an der Oberfläche nicht, da der Referenzbereich nicht funktionalisiert ist, so dass sich die zu detektierende Substanz nicht in dem Referenzbereich anlagert.
Die spektrale Verschiebung der Resonanz im Transmissions- und/oder Reflexionsspektrum des photonischen Kristalls kann beispielsweise detektiert werden, indem das Transmissions- und/oder Reflexionsspektrum des photonischen Kristalls mit einem Spektrometer analysiert wird. Ein zu diesem Zweck verwendeter Messaufbau ist jedoch aufwändig und mit hohen Kosten verbunden. Ein anderer Ansatz um Nachweis von biologischen Substanzen anhand der spektralen Verschiebung von Resonanzen im Transmissions- und/oder Reflexionsspektrum eines photonischen Kristalls ist in der WO 2011/091781 Al beschrieben. Dort wird eine Lichtquelle, die Licht in einen mit der Substanz in Kontakt gebrachten photonischen Kristall einstrahlt, derart auf den photonischen Kristall abgestimmt, dass die von dem photonischen Kristall hervorgerufenen Resonanzen und die durch Wechselwirkung des photonischen Kristalls mit der Substanz hervorgerufenen Resonanzen in einem Flankenbereich des Emissionsspektrums der Lichtquelle liegen. Verändert sich die spektrale Position der Resonanzen im Spektrum des photonischen Kristalls, verändert sich daher auch die Intensität des vom Detektor delektierten Lichts. Auf diese Weise wird die Resonanzverschiebung in eine Intensitätsänderung übersetzt. Bei der in der WO 2011/091781 Al beschriebenen Vorrichtung ist daher eine einfache Intensitätsmessung ausreichend, um eine Anlagerung der Substanz an der Oberfläche des photonischen Kristalls zu delektieren.
Bei der in der WO 2011/091781 Al beschriebenen Messung ist eine Unterscheidung zwischen Veränderungen der Intensität, die auf die Anlagerung der Substanz zurückzuführen sind, und Veränderungen der Intensität, die auf andere Einflussfaktoren zurückzuführen sind, z.B. auf Schwankungen der Intensität des Lichts der Lichtquelle, nicht ohne weiteres möglich.
In dem Artikel „Handheld imaging photonic crystal biosensor for multiplexed, label-free protein detection" von S. Jahns et al., Biomedical Optics Express, Vol. 6, No. 10, wird vorgeschlagen, zusätzlich zu den funktionalisierten Bereichen Referenzbereiche in Form von nicht funktionalisierten Bereichen zu verwenden, an denen sich die zu detektierenden Substanzen nicht anlagern können. Die Referenzbereiche ermöglichen es, Schwankungen und/oder eine Drift in der gemessenen Intensität, die sich auf die Detektionsbereiche und die Referenzbereiche gleichermaßen auswirken, zu eliminieren. Auch positionsabhängige Schwankungen und/oder Drift bei der Messung können eliminiert werden, wenn ein jeweiliger nicht funktionalisierter Referenz be re ich benachbart zu einem funktionalisierten Detektionsbereich angeordnet ist. Beispielsweise kann der Referenzbereich den Detektionsbereich ringförmig umgeben.
Es hat sich gezeigt, dass trotz der Verwendung der Referenzbereiche das Signal-zu-Rauschverhältnis einer solchen Messung für eine zuverlässige Detektion von Substanzen, die sich in sehr geringen Mengen an der Oberfläche anlagern, in der Regel nicht ausreichend ist.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, die eine einfache, kostengünstige und zuverlässige Detektion bereits kleinster Mengen einer Substanz ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst durch die eingangs genannte Vorrichtung, bei der die Lichtquelle in ihrem Spektrum mindestens eine Flanke aufweist, die im Bereich der Resonanz des photonischen Kristalls spektral durchstimmbar ist, oder bei der die Lichtquelle breitbandig ist und die Vorrichtung einen modulierbaren Spektralfilter zur Filterung des in dem Detektionsbereich und des in dem Referenzbereich der Oberfläche des photonischen Kristalls reflektierten oder transmittierten Lichts umfasst, wobei das Filterspektrum des Spektralfilters mindestens eine Flanke aufweist, die Bereich der Resonanz des photonischen Kristalls spektral durchstimmbar ist, und bei der die Vorrichtung eine Auswerteeinrichtung aufweist, die ausgebildet ist, mittels eines Vergleichs des während der Durchstimmung gemessenen ersten Intensitätssignals mit dem während der Durchstimmung gemessenen zweiten Intensitätssignal die Substanz zu detektieren.
Verglichen mit den intensitätsbasierten Vorrichtungen und Verfahren aus dem Stand der Technik führt die Durchstimmung der Flanke im Spektrum der Lichtquelle zu einem wesentlich höheren Signal-Rausch-Verhältnis und erlaubt damit die zuverlässige Detektion wesentlich kleinerer Substanzmengen. Die gemessenen Intensitätssignale können aus mathematischer Perspektive als Ergebnis einer Faltung des Spektrums der Lichtquelle mit dem Transmissions- bzw. Reflexionsspektrum des photonischen Kristalls im Bereich der Resonanz interpretiert werden. Das hohe Signal-Rausch-Verhältnis ist eine Konsequenz der Tatsache, dass sich das gesamte Transmissions- bzw. Reflexionsspektrum im Bereich der Resonanz in den gemessenen Intensitätssignalen widerspiegelt. Dies steht in deutlichem Kontrast zu der in der WO 2011/091781 Al beschriebenen Vorrichtung, in der lediglich ein gewichtetes Integral über das Transmissionsspektrum des photonischen Kristalls im Bereich der Resonanz in die Auswertung eingeht. Die obige Argumentation gilt analog für die Alternative, bei der die Lichtquelle breitbandig ist und die Vorrichtung einen modulierbaren Spektralfilter zur Filterung des von der Oberfläche des photonischen Kristalls reflektierten oder transmittierten Lichts umfasst.
In einer Ausführungsform ist die Auswerteeinrichtung ausgebildet, beim Vergleich der Intensitätssignale eine Verschiebung einer Flanke des während der Durchstimmung gemessenen ersten Intensitätssignals relativ zu einer entsprechenden Flanke des während der Durchstimmung gemessenen zweiten Intensitätssignals zu bestimmen. Die durch die Anlagerung der Substanz im Detektionsbereich verursachte Verschiebung der Resonanz im Transmissions- bzw. Reflexionsspektrum des photonischen Kristalls äußert sich in der Verschiebung einer Flanke des während der Durchstimmung gemessenen ersten Intensitätssignals relativ zu einer entsprechenden Flanke des während der Durchstimmung gemessenen zweiten Intensitätssignals. Die Detektion der Substanz kann daher über die relative Verschiebung der Flanke im ersten Intensitätssignal zur entsprechenden Flanke im zweiten Intensitätssignal erfolgen. Diese relative Verschiebung der Flanken kann bestimmt werden, indem man den Abstand in den Werten der Argumente der Intensitätssignale heranzieht, die einem bestimmten Anteil der Sättigungswerte bzw. der Maximalwerte der jeweiligen (normierten) Intensitätssignale entsprechen. Alternativ kann diese relative Verschiebung der Flanken beispielsweise dadurch bestimmt werden, dass man den Abstand von zwei Geraden bestimmt, die an die Flanken angefittet werden. Es versteht sich, dass die relative Verschiebung zwischen den beiden Flanken auch auf andere Weise bestimmt werden kann.
Die Detektion der Substanz kann beispielsweise erfolgen, indem der Abstand zwischen den Flanken bzw. der Betrag der Verschiebung mit einem Schwellwert verglichen und auf die Anlagerung der Substanz geschlossen wird, wenn die der Schwellwert überschritten wird. Es ist auch möglich, den zeitlichen Verlauf des Betrags der Verschiebung beim wiederholten, in der Regel kontinuierlichen Durchstimmen der Flanke im Bereich der Resonanz zu beobachten. Die Anlagerung der zu detektierenden Substanz kann in diesem Fall beispielsweise anhand eines zeitlichen Anstiegs des Betrags der Verschiebung erkannt werden. In einer weiteren Ausführungsform ist die Auswerteeinrichtung ausgebildet, die Konzentration der zu detektierenden Substanz zu bestimmen, und zwar mittels einer durch Kalibration bestimmten Beziehung zwischen der Verschiebung der Flanke des während der Durchstimmung gemessenen ersten Intensitätssignals relativ zu der entsprechenden Flanke des während der Durchstimmung gemessenen zweiten Intensitätssignals und der Konzentration der zu detektierenden Substanz. Die Beziehung zwischen der Konzentration der Substanz und dem Betrag der relativen Verschiebung zwischen den beiden Flanken kann beispielsweise bestimmt werden, indem eine Flüssigkeit, in der die Substanz mit einer bekannten Konzentration enthalten ist, mit der Oberfläche in Kontakt gebracht und der zugehörige Wert der Verschiebung bestimmt wird. Die bekannte Konzentration der Substanz in der Flüssigkeit wird in diesem Fall nicht auf die oben beschriebene Weise ermittelt. Wird dieser Vorgang mehrfach mit Flüssigkeiten wiederholt, die unterschiedliche, bekannte Konzentrationen der Substanz enthalten, kann eine Beziehung zwischen der Konzentration der Substanz in der Flüssigkeit und dem Betrag der Verschiebung in der Art einer Kalibrationskurve bestimmt werden.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Lichtquelle eine breitbandige Primärlichtquelle und einen Spektralfilter, vorzugsweise einen Kantenfilter oder einen Bandpassfilter, der die Flanke im Spektrum der Lichtquelle erzeugt, wobei der Spektralfilter modulierbar ist, um die Flanke im Spektrum der Lichtquelle im Bereich der Resonanz des photonischen Kristalls spektral durchzustimmen. Für die Detektion der Substanz ist es günstig, wenn der Spektralfilter mindestens eine sehr steile Flanke aufweist. Die spektrale Durchstimmung einer einzigen Flanke des Spektralfilters im Bereich der Resonanz des photonischen Kristalls ist für die Detektion ausreichend, so dass als Spektralfilter ein Kantenfilter mit einer möglichst steilen Flanke verwendet werden kann. Für die Detektion der Substanz ist es nicht schädlich, wenn der Spektralfilter zwei oder mehr Flanken aufweist. Alternativ kann daher beispielsweise ein in der Regel vergleichsweise schmalbandiger Bandpassfilter für die Detektion verwendet werden. Die Bandbreite des Bandpassfilters liegt vorzugsweise in der Größenordnung der Breite der Resonanz des Reflexions- bzw. Transmissionsspektrums des photonischen Kristalls. Für die Modulation des Spektralfilters zur Durchstimmung der Flanke bestehen verschiedene Möglichkeiten.
In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist zur Modulation des Spektralfilters ein Winkel, unter dem der Spektralfilter relativ zur Strahlrichtung der Lichtquelle ausgerichtet ist, einstellbar. Bei dem Spektralfilter kann es sich in diesem Fall beispielsweise um einen Interferenzfilter handeln. Alternativ kann der modulierbare Spektralfilter beispielsweise auch auf Basis eines akustooptischen Modulators oder einer Kombination aus Beugungsgittern und einem Flüssigkristallmodulator realisiert werden. Der Spektralfilter, der zur Filterung des an der Oberfläche des photonischen Kristalls reflektierten oder transmittierten Lichts dient, kann entsprechend ausgebildet sein.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Lichtquelle ein durchstimmbarer Laser. In diesem Fall weist das Intensitätsspektrum der Lichtquelle eine maximale Intensität bei der Laserwellenlänge sowie zwei von der maximalen Intensität steil abfallende Flanken bei kleineren bzw. größeren Wellenlängen als der Laserwellenlänge auf. Durch die Durchstimmung der Laserwellenlänge, die bei dem Laser in an sich bekannter Weise durchgeführt wird, werden beide Flanken des Spektrums des Lasers spektral verschoben. Die Laserwellenlänge bzw. der Bereich, in dem die Durchstimmung der Laserwellenlänge möglich ist, ist in diesem Fall auf den Bereich der Resonanz des photonischen Kristalls abgestimmt.
In einer weiteren Ausführungsform der obigen Vorrichtung sind im Strahlengang des auf die Oberfläche des photonischen Kristalls eingestrahlten Lichts ein erster linearer Polarisationsfilter und im Strahlengang des von der Oberfläche reflektierten oder transmittierten Lichts ein um 90° gegenüber dem ersten linearen Polarisationsfilter gedrehter zweiter linearer Polarisationsfilter angeordnet. Durch die gekreuzten linearen Polarisationsfilter können einerseits Streulicht und andererseits reflektiertes Licht, das nicht mit den Moden des photonischen Kristalls in Wechselwirkung getreten ist, ausgefiltert werden.
In einer alternativen Ausführungsform der obigen Vorrichtung ist im gemeinsamen Strahlengang des auf die Oberfläche des photonischen Kristalls eingestrahlten Lichts und des von der Oberfläche reflektierten Lichts ein zirkularer Polarisationsfilter angeordnet. Auch mit Hilfe eines zirkularen Polarisationsfilters kann Licht, das nicht mit den Moden des photonischen Kristalls in Wechselwirkung getreten ist, ausgefiltert werden.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die obige Vorrichtung eine Zuführungseinrichtung zur Zuführung einer Flüssigkeit an die Oberfläche des photonischen Kristalls, wobei die zu detektierende Substanz in der Flüssigkeit enthalten ist. Für die Anlagerung der zu detektierenden Substanz an der Oberfläche hat es sich als günstig erwiesen, wenn diese in einer Flüssigkeit enthalten ist. Die Zuführungseinrichtung kann ausgebildet sein, die Flüssigkeit in Form eines Flüssigkeitsstroms, z.B. in einer Kammer, über die Oberfläche des photonischen Kristalls zu führen und wieder von der Oberfläche abzuführen. Es ist aber auch möglich, dass die Zuführungseinrichtung ausgebildet ist, die Flüssigkeit, z.B. in Form eines einzelnen Blutstropfens, der Oberfläche zuzuführen, ohne dass die Flüssigkeit wieder von der Oberfläche abgeführt wird. In diesem Fall bildet der photonische Kristall zusammen mit der Zuführungseinrichtung eine Sensoreinheit, die in die Vorrichtung eingebracht werden kann und die gegen eine andere Sensoreinheit ausgetauscht wird, sobald die Detektion der Substanz abgeschlossen ist.
Die oben genannte Aufgabe wird gemäß einem weiteren Aspekt auch gelöst durch das eingangs genannte Verfahren, das folgende weitere Schritte umfasst: Spektrales Durchstimmen mindestens einer Flanke im Spektrum des auf die Oberfläche eingestrahlten Lichts im Bereich der Resonanz des photonischen Kristalls oder spektrales Filtern des in dem Detektionsbereich und des in dem Referenzbereich der Oberfläche des photonischen Kristalls reflektierten oder transmittierten Lichts mit einem Filterspektrum, das mindestens eine Flanke aufweist, und spektrales Durchstimmen dieser Flanke, sowie detektieren der Substanz durch Vergleichen des während der Durchstimmung gemessenen ersten Intensitätssignals mit dem während der Durchstimmung gemessenen zweiten Intensitätssignal. Bezüglich der mit dem Verfahren erzielten Vorteile sei auf die obigen Ausführungen in Bezug auf die Vorrichtung verwiesen.
In einer Variante dieses Verfahrens wird beim Vergleichen der Intensitätssignale die Verschiebung einer Flanke des während der Durchstimmung gemessenen ersten Intensitätssignals relativ zu einer entsprechenden Flanke des während der Durchstimmung gemessenen zweiten Intensitätssignals bestimmt. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann auf diese Weise die spektrale Verschiebung der Resonanz bei der Anlagerung der Substanz in dem Detektionsbereich sehr präzise bestimmt werden.
In einer Weiterbildung dieser Variante wird beim Detektieren eine Konzentration der Substanz bestimmt, und zwar mittels einer durch Kalibration bestimmten Beziehung zwischen der Verschiebung der Flanke des während der Durchstimmung gemessenen ersten Intensitätssignals relativ zu der entsprechenden Flanke des während der Durchstimmung gemessenen zweiten Intensitätssignals und der Konzentration der zu detektierenden Substanz. Die Beziehung zwischen der Konzentration der Substanz und der Verschiebung der Flanke kann auf die weiter oben in Zusammenhang mit der Vorrichtung beschriebene Weise erfolgen.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Die Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen die:
Fig. la,b,c schematische Darstellungen von drei Ausführungsbeispielen einer Vorrichtung, die einen photonischen Kristall mit einer Oberfläche zur Anlagerung von zu detektierenden Substanzen, eine Lichtquelle und einen Detektor aufweist, Fig. 2 eine Darstellung der Oberfläche des photonischen
Kristalls von Fig. la,b mit funktionalisierten Detektionsbereichen und mit nicht funktionalisierten Referenzbereichen,
Fig. 3a, b Darstellungen einer spektralen Verschiebung einer
Resonanz des Reflexionsspektrums des photonischen Kristalls beim Anlagern einer Substanz an der Oberfläche sowie einer Flanke im Spektrum der Lichtquelle oder im Filterspektrum des Spektralfilters, die im Bereich der Resonanz spektral durchgestimmt wird, sowie
Fig. 4a-c Darstellungen eines ersten und eines zweiten
Intensitätssignals, die während der Durchstimmung der Flanke in einem Detektionsbereich und in einem der Referenzbereich der Oberfläche gemessen werden.
In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
Fig. la,b,c zeigen eine Vorrichtung 1, die zur Detektion von mehreren unterschiedlichen (z.B. biologischen) Substanzen 2 ausgebildet ist. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Lichtquelle 3, die zur Einstrahlung von Licht 4 auf eine plane, strukturierte Oberfläche 5a eines photonischen Kristalls 5 ausgebildet ist. Der photonische Kristall 5 weist im gezeigten Beispiel an der Oberfläche 5a eine periodische Strukturierung auf. Die Lichtquelle 3 umfasst eine nicht bildlich dargestellte Kollimationsoptik, um das Licht 4 der Lichtquelle 3 zu kollimieren und entlang einer Strahlrichtung auf die Oberfläche 5a des photonischen Kristalls 5 einzustrahlen, die in Fig. la,b horizontal verläuft.
Das eingestrahlte Licht 4 durchläuft das Volumen des photonischen Kristalls 5 und ein Teil des eingestrahlten Lichts 4 tritt mit der strukturierten Oberfläche 5a des photonischen Kristalls 5 in Wechselwirkung wobei ein Anteil des Lichts reflektiert wird. Das reflektierte Licht 4a trifft auf einen Detektor, der im gezeigten Beispiel als ortsauflösender Detektor, genauer gesagt als Kamera 6, ausgebildet ist. Eine nicht bildlich dargestellte Optik, bei der es sich beispielsweise um eine telezentrische Optik handeln kann, bildet die Oberfläche 5a des photonischen Kristalls 5 auf eine Detektorfläche der Kamera 6 ab. Eine Auswerteeinrichtung 7 steht mit der Kamera 6 in signaltechnischer Verbindung, um die von der Kamera 6 aufgenommenen Bilder auszuwerten, wie weiter unten näher beschrieben wird.
Bei den in Fig. la,b gezeigten Vorrichtungen 1 ist das eingestrahlte Licht 4 senkrecht zur Oberfläche 5a des photonischen Kristalls 5 ausgerichtet. Das detektierte reflektierte Licht 4a ist in dieser Vorrichtung ebenfalls senkrecht zur Oberfläche 5a des photonischen Kristalls 5 ausgerichtet. Um den Strahlengang des auf die Oberfläche 5a des photonischen Kristalls 5 eingestrahlten Lichts 4 vom Strahlengang des reflektierten Lichts 4a zu trennen, weisen die Vorrichtungen 1 von Fig. la, b jeweils einen Strahlteiler 8 auf, der im gezeigten Beispiel als Strahlteilerwürfel ausgebildet ist. Für den Fall, dass das Licht 4 schräg, d.h. unter einem von 90° abweichenden Winkel, auf die Oberfläche 5a des photonischen Kristalls 5 eingestrahlt wird, kann auf den Strahlteiler 8 zur Trennung des Strahlengangs des einfallenden Lichts 4 und des Strahlengangs des reflektierten Lichts 4a in der Regel verzichtet werden. Der Einfallswinkel, unter dem das eingestrahlte Licht 4 auf die Oberfläche 5a des photonischen Kristalls 5 trifft, kann von dem Winkel abweichen, unter dem das an der Oberfläche 5a reflektierte Licht 4a von der Kamera 6 detektiert wird.
Bei den in Fig. la,c gezeigten Vorrichtungen 1 ist im Strahlengang des auf die Oberfläche 5a des photonischen Kristalls 5 eingestrahlten Lichts 4 vor dem Strahlteiler 8 ein erster linearer Polarisationsfilter 9a angeordnet, um das eingestrahlte Licht 4 linear zu polarisieren. Im Strahlengang des von der Oberfläche 5a des photonischen Kristalls 5 reflektierten Lichts 4a ist ein zweiter linearer Polarisationsfilter 9b angeordnet, dessen Ausrichtung um 90° zum ersten linearen Polarisationsfilter 9a gedreht ist. Der zweite lineare Polarisationsfilter 9b transmittiert nur reflektiertes Licht 4a, dessen Polarisationsrichtung um 90° zur Polarisationsrichtung des an dem ersten linearen Polarisationsfilter 9a linear polarisierten, auf die Oberfläche 5a eingestrahlten Licht 4 gedreht ist.
Mit Hilfe der gekreuzten linearen Polarisatoren 9a, 9b kann eingestrahltes Licht 4, das nicht mit dem photonischen Kristall 5 wechselwirkt und daher seine Polarisationsrichtung beibehält, sowie Streulicht unterdrückt werden. Zum Detektor 6 gelangt somit nur an der Oberfläche 5a reflektiertes Licht 4a, das mit dem photonischen Kristall 5 wechselwirkt und hierbei eine Drehung seiner Polarisationsrichtung erfährt. Um die Drehung der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts 4 zu bewirken, schließt bei dem in Fig. la,b gezeigten Beispiel die Strukturierungsrichtung des photonischen Kristalls 5 einen Winkel von 45° mit der Polarisationsrichtung des linear polarisierten, auf die Oberfläche 5a eingestrahlten Lichts 4 ein. Da die beiden Moden-Gruppen TE und TM in diesem Fall ebenfalls um 45° zur Polarisationsrichtung gedreht sind, werden beide Moden angeregt und ein Teil des reflektierten Lichts 4a ist so polarisiert, dass dieses vom zweiten linearen Polarisationsfilter 9b transmittiert wird. Eine von 45° abweichende Wahl dieses Winkels ist grundsätzlich möglich, führt aber im Allgemeinen zu einem schlechteren Signal-Rausch-Verhältnis.
Als Alternative zu den linearen Polarisationsfiltern 9a, b ist bei der in Fig. lb gezeigten Vorrichtung im gemeinsamen Strahlengang des auf die Oberfläche 5a des photonischen Kristalls 5 eingestrahlten Lichts 4 und des von der Oberfläche 5a reflektierten Lichts 4a ein zirkularer Polarisationsfilter
9 angeordnet. Das auf die Oberfläche 5a des photonischen Kristalls 5 eingestrahlte Licht 4 wird von dem zirkularen Polarisationsfilter 9 zirkular polarisiert. Das von der Oberfläche 5a des photonischen Kristalls 5 reflektierte Licht 4a passiert den zirkularen Polarisationsfilter 9 erneut, bevor es auf den Detektor 6 trifft. Von der Oberfläche 5a des photonischen Kristalls 5 reflektiertes Licht 4a, das nicht mit den Moden des photonischen Kristalls 5 in Wechselwirkung getreten ist, ändert seine Händigkeit aufgrund des reflexionsbedingten Phasensprungs und wird somit beim erneuten Durchgang durch den zirkularen Polarisationsfilter 9 unterdrückt. Von der Oberfläche 5a des photonischen Kristalls 5 reflektiertes Licht 4a, das mit den Moden des photonischen Kristalls 5 interagiert, verliert die Eigenschaft der Zirkularpolarisation und wird somit nicht unterdrückt, sofern die Filter- und die Moden-Achsen einen Parallelanteil aufweisen. Der in Fig. lb gezeigte zirkulare Polarisationsfilter 9 kann auch bei den in Fig. la,c gezeigten Vorrichtungen 1 an Stelle der beiden linearen Polarisationsfilter 9a, b verwendet werden. Entsprechend können auch in der Vorrichtung 1 von Fig. lb an Stelle des zirkularen Polarisationsfilters 9 die beiden linearen Polarisationsfilter 9a, b von Fig. la,c verwendet werden.
Die Vorrichtung 1 von Fig. la,b,c umfasst auch eine Zuführungseinrichtung
10 zur Zuführung einer Flüssigkeit 11 an die Oberfläche des photonischen Kristalls 5. Im gezeigten Beispiel weist die Zuführungseinrichtung 10 eine Zuführungsleitung 12 zur Zuführung der Flüssigkeit 11 zu einer Kammer 13 auf, welche die Oberfläche 5a des photonischen Kristalls 5 umschließt. Die Flüssigkeit 11 wird über eine Abführungsleitung 14 aus der Kammer 13 abgeführt. Bei der Zuführungseinrichtung 10 handelt es sich im gezeigten Beispiel um eine mikrofluidische Einrichtung.
Die Vorrichtung 1 dient im gezeigten Beispiel zur Detektion von Substanzen 2, die in der Flüssigkeit 10 enthalten sind. Die Substanzen 2 können beispielsweise in der Flüssigkeit 10 gelöst oder suspendiert sein. Mit Hilfe der in Fig. la,b,c gezeigten Vorrichtung 1 kann eine Vielzahl von unterschiedlichen Substanzen 2 in unterschiedlichen Arten von Flüssigkeiten 11 detektiert werden. Bei den Substanzen 2 kann es sich insbesondere um biologische Substanzen handeln.
Im gezeigten Beispiel handelt es sich bei der Flüssigkeit 10 um menschliches Blut und bei den zu delektierenden Substanzen 2 um biologische Substanzen, genauer gesagt um Biomarker in Form von Antikörpern. Die Vorrichtung 1 ermöglicht die Detektion bzw. den Nachweis von Antigenen und/oder von Antikörpern im menschlichen Blut und kann daher beispielsweise als Nachweis für das Vorliegen einer Infektion, z.B. einer Virusinfektion, oder einer Immunreaktion verwendet werden.
Für diesen Nachweis ist es nicht zwingend erforderlich, dass die Flüssigkeit 10, die der Oberfläche 5a des photonischen Kristalls über die Zuführungsleitung 11 zugeführt wird, wieder von der Oberfläche 5a abgeführt wird. Die Zuführungseinrichtung 10 kann beispielsweise mit dem photonischen Kristall 5 und der Kammer 12 eine wegwerfbare Sensoreinheit bilden, die für den Nachweis der Substanz 2 in die Vorrichtung 1 eingebracht wird. Nach dem Nachweis wird die Sensoreinheit gegen eine andere Sensoreinheit ausgetauscht, wie dies in dem weiter oben zitierten Artikel von Frau S. Jahns et al. beschrieben ist. Die Vorrichtung 1 kann selbstverständlich auch zum Nachweis von anderen Substanzen 2 verwendet werden, die in anderen Flüssigkeiten 11 enthalten sind, beispielsweise zum Nachweis von Bakterien, Antikörpern, Antigenen, etc. in Milch, Blutplasma, oder Lymphe oder aber von Verunreinigungen in Wasser, etc. Auch der Nachweis einer Kristallisation an entsprechend funktionalisierten Detektionsbereichen (z.B. mittels Kristallisationskeimen) ist möglich.
Um eine Mehrzahl von unterschiedlichen Substanzen 2, die in der Flüssigkeit 11 enthalten sind, gleichzeitig detektieren zu können, ist an der Oberfläche 5a des photonischen Kristalls 5 eine Mehrzahl von Detektionsbereichen 15 gebildet. Ein jeweiliger Detektionsbereich 15 ist auf an sich bekannte Weise mit biologischen/organischen Materialien funktionalisiert. Nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip kann eine passende biologische Substanz 2, z.B. ein Antikörper, an einem jeweiligen funktionalisierten Detektionsbereich 15 der Oberfläche 5a andocken, was zu einer Brechungsindexänderung in der unmittelbaren Umgebung der Oberfläche 5a des photonischen Kristalls 5 an dem jeweiligen Detektionsbereich 15 führt.
Die Oberfläche 5a außerhalb der Detektionsbereiche 15 ist nicht funktionalisiert, d.h. eine jeweilige zu delektierende Substanz 2 kann außerhalb der funktionalisierten Detektionsbereiche 15 nicht an der Oberfläche 5a andocken. In Fig. 2 sind ringförmige Referenzbereiche 16 dargestellt, die einen jeweiligen kreisförmigen funktionalisierten Detektionsbereich 15 umgeben. Die Referenzbereiche 16 sind nicht funktionalisiert und unterscheiden sich grundsätzlich nicht von der restlichen Oberfläche 5a außerhalb der Detektionsbereiche 15. Für die weiter unten beschriebene Auswertung wird jedoch nur reflektiertes Licht 4a verwendet, das von jeweiligen Detektionsbereich 15 an der Oberfläche 5a des photonischen Kristalls 5 reflektiert wird, sowie reflektiertes Licht 4a, das von einem jeweiligen Referenzbereich 16 an der Oberfläche 5a des photonischen Kristalls 5 reflektiert wird.
Durch die benachbarte Anordnung eines jeweiligen Referenzbereichs 16 und eines zugehörigen Detektionsbereichs 15 kann ein positionsabhängiger Hintergrund-Drift, Temperatur-Drift oder Lage- , und Winkeländerungen der Probe (Verformung), etc. eliminiert werden. Es versteht sich, dass die Geometrie der in Fig. 2 gezeigten funktionalisierten Detektionsbereiche 15 von einer kreisförmigen Geometrie abweichen kann. Auch die Geometrie der Referenzbereiche 16 kann von der in Fig. 2 gezeigten kreisförmigen Geometrie abweichen. Gegebenenfalls kann bei der Auswertung für zwei oder mehr der Detektionsbereiche 15 ein gemeinsamer Referenzbereich 16 verwendet werden.
Nachfolgend wird die Detektion einer Substanz 2, die an einem der Detektionsbereiche 15 angelagert ist, unter Bezugnahme auf Fig. 3a, b und Fig. 4a-c beschrieben. Die nachfolgend beschriebene Detektion der Substanz 2 an einem der Detektionsbereiche 15 kann zeitgleich für andere Substanzen 2 an den anderen Detektionsbereichen 15 an der Oberfläche 5a des photonischen Kristalls 5 erfolgen. Die Detektionsbereiche 15 können für den Nachweis bzw. für die Detektion von unterschiedlichen Substanzen 2 funktionalisiert sein, es ist aber auch möglich, dass zwei oder mehr Detektionsbereiche 15 für den Nachweis ein- und derselben Substanz 2 funktionalisiert sind. Wie weiter oben beschrieben wurde, hat die Anlagerung der Substanz 2 an dem Detektionsbereich 15 eine Veränderung des Brechungsindexes in der Umgebung der Oberfläche 5a des photonischen Kristalls 5 zur Folge. Wie ebenfalls weiter oben beschrieben wurde, ist die Oberfläche 5a des photonischen Kristalls 5 strukturiert und bildet damit ein für Photonen dem Verhalten von Elektronen im Halbleiter ähnliches System. In bekannter Weise wird durch die Strukturierung des photonischen Kristalls 5 ein Reflexionsspektrum mit einer wellenlängenabhängigen Reflektivität R erzeugt, das eine Resonanz 17 (Resonanz-Peak) aufweist, wie dies in Fig. 3a, b dargestellt ist. In der Regel weist das Reflexionsspektrum des photonischen Kristalls 5 mehr als eine Resonanz 17 auf, für die nachfolgend beschriebene Auswertung wird aber nur eine Resonanz 17 benötigt, so dass auf die Darstellung weiterer Resonanzen in dem Reflexionsspektrum von Fig. 3a, b verzichtet wurde.
Wie in Fig. 3a, b zu erkennen ist, weist die Resonanz 17 in dem funktionalisierten Detektionsbereich 15 eine erste Resonanzwellenlänge XD auf, während dieselbe Resonanz 17 in dem Referenz be re ich 15 eine zweite Resonanzwellenlänge XR aufweist, die sich von der ersten Resonanzwellenlänge XD unterscheidet. Die spektrale Verschiebung AX = XD - XR der Resonanz 17 in dem Detektionsbereich 15 relativ zu dem Referenzbereich 16 ist auf die Brechungsindexänderung bei der Anlagerung der Substanz 2 an die Oberfläche 5a in dem Detektionsbereich 15 zurückzuführen. Da die Substanz 2 sich in dem Referenzbereich 16 nicht anlagert, kann anhand der spektralen Verschiebung AX die in dem Detektionsbereich 15 angelagerte Substanz 2 detektiert werden.
Um die spektrale Verschiebung AX bzw. ein Maß für die spektrale
Verschiebung AX zu messen, weist bei der in Fig. la,c gezeigten Vorrichtung 1 das Spektrum der Lichtquelle 3 eine wellenlängenabhängige Intensität I mit zwei Flanken 18a, b auf, während bei der in Fig. lb gezeigten Vorrichtung 1 der Spektralfilter 20 ein Filterspektrum mit einer wellenlängenabhängigen Transmission T mit zwei Flanken 18a, b aufweist, wobei die Flanken 18a, b im Bereich der Resonanz 17 des photonischen Kristalls 5 spektral durchstimmbar sind. Die Flanken 18a, b sind bei dem in Fig. 3a, b gezeigten Beispiel im Bereich der Resonanz 17 in einem Wellenlängen-Intervall zwischen einer minimalen Wellenlänge MIN und einer maximalen Wellenlänge ÄMAX durchstimmbar.
Die minimale Wellenlänge MIN ist geringfügig kleiner als die zweite Resonanzwellenlänge R der Resonanz 17 in dem Referenzbereich 16. Die maximale Wellenlänge ÄMAX ist geringfügig größer als die größtmögliche erste Resonanzwellenlänge D in dem Detektionsbereich 15. Die größtmögliche erste Resonanzwellenlänge ÄMAX wird erreicht, wenn die Substanz 2 sich an allen zur Verfügung stehenden Plätzen in dem funktionalisierten Detektionsbereich 15 angelagert hat, d.h. wenn die Sättigung des funktionalisierten Detektionsbereichs 15 mit der Substanz 2 erreicht ist. Das Wellenlängen-Intervall ÄMAX - MIN, in dem die Flanke 18a, b der Intensität I der Lichtquelle 3 beziehungsweise die Flanke 18a, b des Filterspektrums des Spektralfilters 20 durchstimmbar ist, kann beispielsweise in der Größenordnung von ca. 10 nm liegen.
Die in Fig. la gezeigte Vorrichtung 1 unterscheidet sich von der in Fig. lc gezeigten Vorrichtung durch die Art, wie die Durchstimmung der Flanke 18 des Spektrums der Lichtquelle 3 erzeugt wird. Die in Fig. la gezeigte Lichtquelle 3 weist eine breitbandige Primärlichtquelle 19 in Form einer Weißlicht-LED und einen Spektralfilter 20 auf, der die in Fig. 3a gezeigten Flanken 18a, b im Spektrum der Primärlichtquelle 19 erzeugt. Der Spektralfilter 20 ist im gezeigten Beispiel ein schmalbandiger Bandpassfilter mit hoher Flankensteilheit. Der Spektralfilter 20 ist modulierbar, um die Flanken 18a, b im Bereich der Resonanz 17 des photonischen Kristalls 5 spektral durchzustimmen.
Bei dem in Fig. la gezeigten Beispiel weist die Lichtquelle 3 zur Modulation des Spektralfilters 20 einen Aktuator 21 auf, der es ermöglicht, einen Winkel a, unter dem der Spektralfilter 20 zur Strahlrichtung der Lichtquelle 3 ausgerichtet ist, einzustellen. Bei dem in Fig. la gezeigten Beispiel kann der Spektralfilter 20 um einen Winkel a von +/- 10° ausgehend von einer Grundstellung verkippt werden, in welcher der Spektralfilter 20 senkrecht zur Strahlrichtung des kollimierten Lichts 4 der Lichtquelle 3 ausgerichtet ist. Bei dem Spektralfilter 20 handelt es sich um einen geeignet ausgebildeten Interferenzfilter. An Stelle eines Spektralfilters 20 in Form eines Bandpassfilters kann auch eine andere Art von Spektralfilter, beispielsweise ein Kantenfilter, verwendet werden, der an Stelle der beiden Flanken 18a, b nur eine einzige Flanke aufweist.
Die in Fig. lb gezeigte Vorrichtung unterscheidet sich von der in Fig. la gezeigten Vorrichtung darin, dass das Spektrum der Lichtquelle 3 breitbandig ist und dass das reflektierte Licht 4a, bevor es auf den Detektor 6 trifft, den modulierbaren Spektralfilter 20 passiert. Die Modulation des Spektralfilters erfolgt hier wie in der Beschreibung von Fig. la angegeben.
Die Lichtquelle der in Fig. lc gezeigten Vorrichtung 1 ist als durchstimmbarer Laser 3 ausgebildet. Der durchstimmbare Laser 3 weist ein schmalbandiges Spektrum mit zwei ausgehend von einer Laserwellenlänge L steil abfallenden Flanken 18a, b auf. Bei der spektralen Durchstimmung der Laserwellenlänge L werden auch die Flanken 18a, b des Spektrums im Bereich der Resonanz 17 spektral durchgestimmt, wie dies in Fig. 3b durch einen Pfeil angedeutet ist.
Für die nachfolgend beschriebene Messung ist es in allen drei Fällen günstig, wenn die Flanke oder die Flanken 18a, b im Spektrum der Lichtquelle 3 oder im Filterspektrum, die im Bereich der Resonanz 17 spektral durchgestimmt wird/werden, möglichst steil sind.
Fig. 4a-c zeigen jeweils ein erstes Intensitätssignal ID und ein zweites Intensitätssignal IR, die während des Durchstimmens der Flanken 18a, b des Spektrums der Lichtquelle 3 gemessen werden. Das erste Intensitätssignal ID wird aus den Intensitäten der Pixel des Bildes des Detektionsbereichs 15 auf der Detektorfläche der Kamera 6 berechnet, beispielsweise durch Mittelung. Entsprechend wird das zweite Intensitätssignal IR aus den Intensitäten der Pixel des Bildes des Referenzbereichs 16 auf der Detektorfläche der Kamera 6 berechnet, wiederum beispielsweise durch Mittelung. In Fig. 4a-c sind die beiden Intensitätssignale ID, IR für unterschiedliche Einstellungen des Winkels a beim Durchstimmen des Spektralfilters 20 in Form des Bandpassfilters von Fig. la dargestellt. An Stelle der Mittelung kann auch eine andere geeignete Verrechnung, z.B. eine gewichtete Mittelwertbildung, der Intensitäten der Pixel des Bildes des Detektionsbereichs 15 zur Berechnung des ersten Intensitätssignals ID bzw. der Pixel des Bildes des Referenzbereiches 16 zur Berechnung des zweiten Intensitätssignals IR verwendet werden.
In der Darstellung von Fig. 4a entspricht die an der Abszisse angegebene Zahl der Nummer eines jeweiligen von der Kamera aufgenommenen Bildes. Die Kamera 6 kann beispielsweise ausgebildet sein, eine Anzahl von ca. 100 Bildern pro Sekunde in konstanten zeitlichen Abständen aufzunehmen. In Fig. 4b, c sind die Intensitätssignale ID, IR über der Wellenlänge aufgetragen. Eine solche Auftragung ist möglich, da eine eindeutige Beziehung zwischen der jeweiligen Winkelstellung des Spektralfilters 20 bzw. dem zugehörigen aufgenommenen Bild und der Wellenlänge X besteht. Es versteht sich, dass an Stelle der Nummerierung der aufgenommenen Bilder oder der Wellenlänge X die Intensitätssignale ID, IR auch über der Zeit oder über einer anderen geeigneten Größe aufgetragen werden können.
Bei der Darstellung von Fig. 4a sind die Intensitätssignale ID, IR beim Durchstimmen des Spektralfilters 20 über den gesamten einstellbaren Variationsbereich des Winkels o von -10° bis +10° dargestellt, wobei das Bild mit der Nummer Null in Fig. 4a der Winkelstellung von -10° entspricht und das Bild mit der Nummer 600 der Winkelstellung von +10° entspricht. Bei der Drehung des Spektralfilters 20 aus der Grundstellung (bei o= 0°) heraus nimmt die Wellenlänge der durchgestimmten Flanke 18a, b in beide Richtungen ab, weshalb sich die in Fig. 4a gezeigte, im Wesentlichen zur Grundstellung (dem Bild mit der Nummer 300) symmetrische Darstellung ergibt. Der linke Teil der Darstellung von Fig. 4a bis zur Grundstellung entspricht somit der Durchstimmung der Flanke 18a, b von der minimalen Wellenlänge XMiN zur maximalen Wellenlänge XMAx in der Grundstellung. Der von der Grundstellung ausgehende rechte Teil der Darstellung von Fig. 4a entspricht der Durchstimmung der Flanke 18a, b von der maximalen Wellenlänge XMAx zur minimalen Wellenlänge XMIN.
Wie in Fig. 4a zu erkennen ist, ist das erste Intensitätssignal ID aufgrund der spektralen Verschiebung der in Fig. 3a gezeigten Resonanz 17 bei der Anlagerung der Substanz 2 in dem Detektionsbereich 15 im Vergleich zum zweiten Intensitätssignal IR verschoben, da beim Durchstimmen des Spektralfilters 20 von kleineren zu größeren Wellenlängen zunächst die Resonanz 17 bei der zweiten Resonanzwellenlänge XR und zu eine späteren Zeitpunkt die Resonanz 17 bei der um den spektralen Versatz AX verschobenen ersten Resonanzwellenlänge XR von den Flanken 18a, b überstrichen wird. Anhand eines Vergleichs zwischen dem ersten und dem zweiten Intensitätssignal ID, IR kann daher der spektrale Versatz AX bestimmt und anhand des Betrags des spektralen Versatzes AX die Anlagerung der Substanz 2 detektiert werden.
Der Vergleich zwischen den beiden Intensitätssignalen ID, IR erfolgt bevorzugt in einem Intensitätsbereich, in dem diese einen möglichst steilen Anstieg aufweisen. Bei dem in Fig. 4b, c gezeigten Beispiel erfolgt der Vergleich an einer steil ansteigenden Flanke 22 des ersten Intensitätssignals ID und an einer entsprechenden, steil ansteigenden Flanke 22' des zweiten Intensitätssignals IR. Die relative Verschiebung AX der Flanke 22 im ersten Intensitätssignal ID zur entsprechenden Flanke 22' im zweiten Intensitätssignal IR wird im gezeigten Beispiel bestimmt, indem der Abstand in den Werten der Argumente der Intensitätssignale ID IR herangezogen wird, die einem bestimmten Anteil der Sättigungs- bzw. Maximalwerte der Intensitätssignale ID, IR entsprechen. Die Maximalwerte der Intensitätssignale ID, IR wurden in Fig. 4a-c jeweils auf Eins normiert.
Bei dem in Fig. 4c gezeigten Beispiel wird die Verschiebung AX zwischen den beiden Flanken 22, 22' bei einem Intensitätswert bestimmt der einem Anteil von 80% der maximalen Intensitäten der beiden Intensitätssignale ID, IR entspricht. Es versteht sich, dass die Verschiebung AX auch bei einem anderen Anteil der maximalen Intensitäten der beiden Intensitätssignale ID, IR bestimmt werden kann, beispielsweise bei 60% oder bei 40% der maximalen Intensitäten. Gegebenenfalls kann für die Bestimmung der Verschiebung AX auch ein Mittelwert von mehreren, bei unterschiedlichen Anteilen der maximalen Intensitäten bestimmten Werten für die Verschiebung AX gebildet werden. Es versteht sich, dass die relative Verschiebung der Flanken 22, 22' auch auf andere Weise bestimmt werden kann, beispielsweise indem der Abstand von zwei Geraden herangezogen wird, die an die jeweilige Flanke 22, 22' angefittet werden.
Anhand der Verschiebung AX kann die Anlagerung der zu detektierenden Substanz 2 in dem Detektionsbereich 15 detektiert werden. Zu diesem Zweck kann der zeitliche Verlauf des Betrags der Verschiebung AX beim wiederholten, kontinuierlichen Durchstimmen des Spektralfilters 20 beobachtet werden und die Anlagerung der zu detektierenden Substanz 2 kann anhand eines Anstiegs des Betrags der Verschiebung AX erkannt werden. Die Anlagerung der Substanz 2 an dem Detektionsbereich 15 kann auch detektiert werden, indem der Betrag der Verschiebung AX mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen und auf die Anlagerung der Substanz 2 geschlossen wird, wenn der Schwellwert überschritten wird.
Es ist auch möglich, mit Hilfe der Auswerteeinrichtung 7 die Konzentration der zu detektierenden Substanz 2 in der Flüssigkeit 11 zu bestimmen. Zu diesem Zweck wird der auf die oben beschriebene Weise bestimmte Wert der Verschiebung AX zwischen den beiden Flanken 22, 22' anhand einer durch Kalbration bestimmten Beziehung mit der Konzentration der Substanz 2 in der Flüssigkeit 11 in Relation gesetzt. Die Kalibration kann beispielsweise erfolgen, indem dieselbe Flüssigkeit 11 mit unterschiedlichen Konzentrationen der zu detektierenden Substanz 2 mit der Oberfläche 5a des photonischen Kristalls in Kontakt gebracht wird und hierbei jeweils der Wert der Verschiebung AX zwischen den beiden Flanken 22, 22' bestimmt wird. Die Konzentration der Substanz 2 in der Flüssigkeit 11 wird in diesem Fall mit Hilfe eines anderen geeigneten Messaufbaus bestimmt. Auf diese Weise kann eine Kalibrationskurve aufgenommen werden, welche die Messung der Konzentration der angelagerten Substanz 2 in der Flüssigkeit 11 ermöglicht.
Alternativ zu der in Zusammenhang mit Fig. la,b beschriebenen Vorrichtung 1, bei welcher das an der Oberfläche 5a des photonischen Kristalls 5 reflektierte Licht 4a vom Detektor 6 gemessen wird, ist es auch möglich, für die Detektion der Substanz 2 das von der Oberfläche 5a des photonischen Kristalls 5 transmittierte Licht zu messen. Dies vereinfacht den Aufbau der Vorrichtung 1, da die Lichtquelle 3, der photonische Kristall 5 und der Detektor 6 entlang einer geradlinigen optischen Bank angeordnet werden können. In diesem Fall tritt das von der Oberfläche 5a transmittierte Licht tritt jedoch durch die Flüssigkeit 11 hindurch, bevor dieses auf den Detektor 6 trifft. Es ist daher in der Regel erforderlich, dass die Flüssigkeit im Wesentlichen transparent für das vom photonischen Kristall 5 transmittierte Licht ist.

Claims

27 PAT E N TA N S P RÜ C H E
1. Vorrichtung (1) zur Detektion mindestens einer Substanz (2), umfassend:
- einen photonischen Kristall (5) mit einer Oberfläche (5a), die mindestens einen Detektionsbereich (15) und mindestens einen Referenzbereich (16) aufweist, wobei in dem Detektionsbereich (15) die zu delektierende Substanz (2) anlagerbar ist und in dem Referenzbereich (16) die zu delektierende Substanz (2) nicht anlagerbar ist, wobei sich durch die Anlagerung der zu detektierenden Substanz (2) eine Resonanz (17) im Transmissions- und/oder Reflexionsspektrum des photonischen Kristalls (5) in dem Detektionsbereich (15) relativ zu dem Referenzbereich (16) spektral verschiebt,
- eine Lichtquelle (3) zur Einstrahlung von Licht (4) auf die Oberfläche (5a) des photonischen Kristalls (5),
- einen Detektor (6) zur Messung eines ersten Intensitätssignals (ID) des in dem Detektionsbereich (15) der Oberfläche (5a) des photonischen Kristalls (5) reflektierten oder transmittierten Lichts (4a) und zur Messung eines zweiten Intensitätssignals (IR) des in dem Referenzbereich (16) der Oberfläche (5) des photonischen Kristalls (IR) reflektierten oder transmittierten Lichts (4a), dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (3) in ihrem Spektrum mindestens eine Flanke (18a, b) aufweist, die im Bereich der Resonanz (17) des photonischen Kristalls (5) spektral durchstimmbar ist oder, dass die Lichtquelle (3) breitbandig ist und die Vorrichtung (1) einen modulierbaren Spektralfilter (20) zur Filterung des in dem Detektionsbereich (15) und des in dem Referenzbereich (16) der Oberfläche (5a) des photonischen Kristalls (5) reflektierten oder transmittierten Lichts (4a) umfasst, wobei das Filterspektrum des Spektralfilters (20) mindestens eine Flanke (18a, b) aufweist, die Bereich der Resonanz (17) des photonischen Kristalls (5) spektral durchstimmbar ist, und, dass die Vorrichtung (1) eine Auswerteeinrichtung (7) aufweist, die ausgebildet ist, mittels eines Vergleichs des während der Durchstimmung gemessenen ersten Intensitätssignals (ID) mit dem während der Durchstimmung gemessenen zweiten Intensitätssignal (IR) die Substanz (2) zu detektieren.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (7) ausgebildet ist, beim Vergleich der Intensitätssignale (ID, IR) eine Verschiebung (AX) einer Flanke (22) des während der Durchstimmung gemessenen ersten Intensitätssignals (ID) relativ zu einer entsprechenden Flanke (22') des während der Durchstimmung gemessenen zweiten Intensitätssignals (IR) zu bestimmen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (7) ausgebildet ist, die Konzentration der zu delektierenden Substanz (2) zu bestimmen, mittels einer durch Kalibration bestimmten Beziehung zwischen der Verschiebung (AX) der Flanke (22) des während der Durchstimmung gemessenen ersten Intensitätssignals (ID) relativ zu der entsprechenden Flanke (22') des während der Durchstimmung gemessenen zweiten Intensitätssignals (IR) und der Konzentration der zu delektierenden Substanz (2).
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Lichtquelle (3) eine breitbandige Primärlichtquelle (19) und einen Spektralfilter (20), vorzugsweise einen Kantenfilter oder einen Bandpassfilter, umfasst, der die Flanke (18a, b) im Spektrum der Lichtquelle (3) erzeugt, wobei der Spektralfilter (20) modulierbar ist, um die Flanke (18) im Spektrum der Lichtquelle (3) im Bereich der Resonanz (17) des photonischen Kristalls (5) spektral durchzustimmen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der zur Modulation des Spektralfilters (20) ein Winkel (o), unter dem der Spektralfilter (20) relativ zur Strahlrichtung der Lichtquelle (3) ausgerichtet ist, einstellbar ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Lichtquelle ein durchstimmbarer Laser (3) ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der im Strahlengang des auf die Oberfläche (5a) des photonischen Kristalls (5) eingestrahlten Lichts (4) ein erster linearer Polarisationsfilter (9a) und im Strahlengang des von der Oberfläche (5a) reflektierten oder transmittierten Lichts (4a) ein um 90° gegenüber dem ersten linearen Polarisationsfilter (9a) gedrehter zweiter linearer Polarisationsfilter (9b) angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der im gemeinsamen Strahlengang des auf die Oberfläche (5a) des photonischen Kristalls (5) eingestrahlten Lichts (4) und des von der Oberfläche (5a) des photonischen Kristalls (5) reflektierten Lichts (4a) ein zirkularer Polarisationsfilter (9) angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: eine Zuführungseinrichtung (10) zur Zuführung einer Flüssigkeit (11) an die Oberfläche (5a) des photonischen Kristalls (5), wobei die zu delektierende Substanz (2) in der Flüssigkeit (11) enthalten ist.
10. Verfahren zum Delektieren mindestens einer Substanz (2), umfassend die Schritte:
- Einstrahlen von Licht (4) auf eine Oberfläche (5a) eines photonischen Kristalls (5), wobei die Oberfläche (5a) mindestens einen Detektionsbereich (15) und mindestens einen Referenzbereich (16) aufweist, wobei sich die zu delektierende Substanz (2) im Detektionsbereich (15) anlagert und im Referenzbereich (16) nicht anlagert, und wobei sich durch die Anlagerung der zu delektierenden Substanz (2) eine Resonanz (17) im Transmissions- und/oder Reflexionsspektrum des photonischen Kristalls (5) im Detektionsbereich (15) relativ zum Referenzbereich (16) spektral verschiebt,
- Messen eines ersten Intensitätssignals (ID) des in dem Detektionsbereich (15) der Oberfläche (5a) des photonischen Kristalls (5) reflektierten oder transmittierten Lichts (4a) und eines zweiten Intensitätssignals (IR) des in dem Referenzbereich (16) der Oberfläche (5a) des photonischen Kristalls (5) reflektierten oder transmittierten Lichts (4a), gekennzeichnet durch die Schritte:
- Spektrales Durchstimmen mindestens eine Flanke (18a, b) im Spektrum des auf die Oberfläche (5a) eingestrahlten Lichts (4) im Bereich der Resonanz (17) des photonischen Kristalls (5) oder
- Spektrales Filtern des in dem Detektionsbereich (15) und des in dem Referenzbereich (16) der Oberfläche (5a) des photonischen Kristalls (5) reflektierten oder transmittierten Lichts (4a) mit einem Filterspektrum, das mindestens eine Flanke (18a, b) aufweist, und spektrales Durchstimmen dieser Flanke (18a, b), und
- Delektieren der Substanz (2) durch Vergleichen des während der Durchstimmung gemessenen ersten Intensitätssignals (ID) mit dem während der Durchstimmung gemessenen zweiten Intensitätssignal (IR). 31
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vergleichen der Intensitätssignale (ID, IR) die Verschiebung einer Flanke (22) des während der Durchstimmung gemessenen ersten Intensitätssignals (ID) relativ zu einer entsprechenden Flanke (22') des während der Durchstimmung gemessenen zweiten Intensitätssignals (IR) bestimmt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass beim Detektieren eine Konzentration der Substanz (2) bestimmt wird, mittels einer durch Kalibration bestimmten Beziehung zwischen der Verschiebung der Flanke (22) des während der Durchstimmung gemessenen ersten Intensitätssignals (ID) relativ zu der entsprechenden Flanke (22') des während der Durchstimmung gemessenen zweiten Intensitätssignals (IR) und der Konzentration der zu delektierenden Substanz (2).
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