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DE10324973A1 - Arrangement and method for the optical detection of chemical, biochemical molecules and / or particles contained in samples - Google Patents

Arrangement and method for the optical detection of chemical, biochemical molecules and / or particles contained in samples Download PDF

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DE10324973A1
DE10324973A1 DE2003124973 DE10324973A DE10324973A1 DE 10324973 A1 DE10324973 A1 DE 10324973A1 DE 2003124973 DE2003124973 DE 2003124973 DE 10324973 A DE10324973 A DE 10324973A DE 10324973 A1 DE10324973 A1 DE 10324973A1
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Norbert Dipl.-Phys. Danz
Bürk Dr. Schäfer
Michaela Harz
Alexander Dipl.-Phys. Büttner
Peter Dr.rer.nat. Schreiber
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur optischen Detektion von in Proben enthaltenen chemischen, biochemischen Molekülen und/oder Partikeln, bei der die sich in Abhängigkeit vom optischen Brechungsindex verändernde Oberflächen-Plasmonen-Resonanz (SPR) für die optische Detektion ausgenutzt werden kann. Dabei wird Licht einer Lichtquelle über mindestens ein bereichsweise als Lichtwellenleiter ausgebildetes Sensorelement auf einen optischen Detektor gerichtet. Auf einer Grenzfläche dieses Lichtwellenleiters ist mindestens eine elektrisch leitende Dünnschicht unterhalb einer Messfläche ausgebildet. Das durch den Lichtwellenleiter geführte Licht trifft dabei auf die Grenzfläche im Bereich der Dünnschicht mit Winkeln im Bereich oberhalb des Totalreflexionswinkels auf. Das Sensorelement ist an einer Stirnseite für den Lichteintritt so gestaltet, dass eine asphärisch, konvex gekrümmte optisch wirksame Oberfläche vorhanden ist, mit der das Licht innerhalb des Sensorelementes in Richtung auf die mit der mindestens einen Dünnschicht und/oder Messfläche belegte Grenzfläche fokussiert wird. Eine zweite asphärisch, konvex gekrümmte optisch wirksame Oberfläche ist an der Stirnseite des Sensorelementes für den Lichtaustritt vorhanden. Mittels dieser optisch wirksamen Oberfläche wird das infolge von Oberflächen-Plasmonen-Resonanz modifizierte Licht in kollimierter Form auf den mindestens einen optischen Detektor gerichtet.The invention relates to an arrangement and a method for the optical detection of chemical, biochemical molecules and / or particles contained in samples, in which the surface plasmon resonance (SPR), which changes as a function of the optical refractive index, can be used for the optical detection. In this case, light from a light source is directed onto an optical detector via at least one sensor element that is designed in some areas as an optical waveguide. At least one electrically conductive thin layer is formed below a measuring surface on an interface of this optical waveguide. The light guided through the optical waveguide strikes the interface in the area of the thin layer with angles in the area above the total reflection angle. The sensor element is designed on one end face for the light entry in such a way that an aspherical, convexly curved optically effective surface is present, with which the light within the sensor element is focused in the direction of the interface occupied by the at least one thin layer and / or measuring surface. A second aspherical, convexly curved, optically effective surface is provided on the end face of the sensor element for the light emission. By means of this optically active surface, the light modified as a result of surface plasmon resonance is directed in collimated form onto the at least one optical detector.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur optischen Detektion von in Proben enthaltenden chemischen, biochemischen Molekülen und/oder Partikeln, bei der die sich in Abhängigkeit vom optischen Brechungsindex verändernde Oberflächen-Plasmonen-Resonanz (SPR) für die optische Detektion ausgenutzt werden kann. Mit der erfindungsgemäßen Lösung können die unterschiedlichsten Analyten, die in verschiedenen, bevorzugt flüssigen Proben enthalten sind, ohne den Einsatz jeglicher Markierungsstoffe, wie sie beispielsweise bei herkömmlichen Fluoreszenzimmunoassay-Techniken erforderlich sind, detektiert werden.The The invention relates to an arrangement and a method for optical Detection of chemical, biochemical molecules and / or contained in samples Particles, which differ depending on the optical refractive index changing Surface plasmon resonance (SPR) for optical detection can be used. With the solution according to the invention, the A wide variety of analytes in different, preferably liquid samples are included without the use of any marking substances, such as such as conventional ones Fluorescence immunoassay techniques are required to be detected.

Die Detektion des Analyten kann auf allgemeinen Rezeptor-Ligand-Systemen, z.B. auf unterschiedlichsten Antigen-Antikörperkombinationen beruhen. Es können in biologischen Flüssigkeiten enthaltene Proteine, Moleküle, Partikel und andere Substanzen detektiert werden.The Detection of the analyte can be performed on general receptor-ligand systems, e.g. based on a wide variety of antigen-antibody combinations. It can in biological fluids contained proteins, molecules, Particles and other substances can be detected.

Die bisher bekannten Lösungen weisen aber Defizite auf. Dies betrifft die eng begrenzte Anzahl unterschiedlicher Analyten, die gleichzeitig bei einem Messvorgang detektiert werden können.The previously known solutions but show deficits. This affects the narrowly limited number of different ones Analytes that are detected simultaneously during a measurement process can.

Häufig sind auch die erforderlichen Messgenauigkeiten nicht erreicht worden, so dass die Zuverlässigkeit der Analyseergebnisse begrenzt ist und entsprechende Nachweise nicht mit ausreichend hoher Sicherheit erfolgen können.Are common the required measuring accuracy has also not been achieved, so the reliability the analysis results are limited and corresponding evidence is not can be done with sufficient security.

Ein weiteres Problem, das bisher bekannte für solche Zwecke einsetzbare technischen Lösungen aufweisen, sind die relativ hohen Kosten, die zum einen durch einen entsprechend erhöhten apparativen Aufwand und zum anderen die hohen Kosten für geeignete Probenträger, die aus Sicherheitsgründen insbesondere in der medizinischen Diagnostik für den einmaligen Gebrauch als „Einwegartikel" konzipiert werden müssen.On Another problem that can be used for such purposes technical solutions exhibit, are the relatively high costs, on the one hand by a increased accordingly equipment expenditure and on the other hand the high costs for suitable Sample carrier, the for security reasons especially in medical diagnostics for single use as a "disposable item" have to.

Müssen mehrere Einzelteile bei einer solchen optischen Detektionsvorrichtung vor der Durchführung einer einzelnen Messung zusammengesetzt werden, bestehen erheblich erhöhte Anforderungen an die jeweilige optische Justierung.Must have several Individual parts in such an optical detection device the implementation composed of a single measurement exist considerably increased Requirements for the respective optical adjustment.

Die bezeichneten Probleme sind auch mit der in WO 00/46589 beschriebenen technischen Lösung zumindest nicht vollständig gelöst.The designated problems are also with that described in WO 00/46589 technical solution at least not completely solved.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung und ein Verfahren zur optischen Detektion unterschiedlichster Analyten, wie chemische, biochemische Moleküle und/oder Partikel in Proben optisch detektieren zu können, wobei eine Veränderung der Oberflächen-Plasmonen-Resonanz infolge einer Veränderung im Brechungsindex ausgenutzt wird, zur Verfügung zu stellen, die bei geringem Aufwand, geringen Kosten eine ausreichend hohe Detektionssicherheit erreicht.It is therefore an object of the invention, an arrangement and a method for optical detection of various analytes, such as chemical, biochemical molecules and / or to be able to optically detect particles in samples, wherein a change the surface plasmon resonance as a result of a change in the refractive index is used to provide that at low Effort, low costs, a sufficiently high level of detection reliability reached.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Anordnung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist sowie einem Verfahren gemäß Patentanspruch 21 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.According to the invention Task with an arrangement having the features of claim 1 and a method according to claim 21 solved. Advantageous embodiments and developments of the invention can with the features designated in the subordinate claims can be achieved.

Die erfindungsgemäße Anordnung zur optischen Detektion ist dabei so ausgebildet, dass Licht einer Lichtquelle über mindestens ein Sensorelement, das wiederum zumindest bereichsweise als ein Lichtwellenleiter für das Licht ausgebildet ist, auf einen optischen Detektor gerichtet wird. Die Lichtführung innerhalb des Lichtwellenleiters bzw. eines entsprechend ausgebildeten Sensorelementes erfolgt dabei in an sich bekannter Weise. Zum Hervorrufen von Oberflächen-Plasmonen-Resonanz ist am Sensorelement zumindest eine elektrisch leitende Dünnschicht auf der Oberfläche einer Grenzfläche ausgebildet. Die Dünnschicht kann aus verschiedenen Metallen, bevorzugt aus Gold oder Silber mit Schichtdicken im Bereich zwischen 20 und 200 nm ausgebildet werden, wobei Reflektivitätsänderungen infolge von Veränderungen der Oberflächen-Plasmonen-Resonanz hervorgerufen durch Änderungen des Brechungsindexes innerhalb eines eng begrenzten Bereiches oberhalb der Dünnschicht gleichzeitig ausgenutzt werden können. Oberhalb einer solchen Dünn schicht können eine oder auch mehrere Messflächen, bevorzugt für jeweils unterschiedliche Analyten angeordnet bzw. ausgebildet worden sein.The arrangement according to the invention for optical detection is designed so that light one Light source over at least one sensor element, which in turn at least in regions as an optical fiber for the light is formed, directed to an optical detector becomes. The lighting within the optical fiber or a correspondingly trained Sensor element takes place in a manner known per se. To evoke Surface plasmon resonance is at least one electrically conductive thin layer on the sensor element on the surface an interface educated. The thin film can be made of different metals, preferably gold or silver with layer thicknesses in the range between 20 and 200 nm be, reflectivity changes due to changes the surface plasmon resonance caused by changes the refractive index within a narrow range above the thin film can be exploited at the same time. Above such a thin layer can one or more measuring surfaces, preferred for different analytes have been arranged or formed in each case his.

Die Lichtführung innerhalb des Lichtwellenleiters oder eines entsprechend ausgebildeten Sensorelementes erfolgt dann so, dass das Licht in diesem Bereich auf die Grenzfläche so auftrifft, dass Einfallswinkel oberhalb des Totalreflexionswinkels, unter Berücksichtigung vorgebbarer Wellenlängen und der jeweiligen Brechungsindizes eingehalten werden, so dass Oberflächen-Plasmonen-Resonanz erreicht werden kann.The lighting within the optical fiber or a correspondingly trained Sensor element then takes place so that the light in this area to the interface so that the angle of incidence is above the total reflection angle, below consideration definable wavelengths and of the respective refractive indices are observed so that surface plasmon resonance is achieved can be.

Dabei sollte in einem Lichtwellenleiter, das durch ihn auf eine optische Grenzfläche in fokussierter Form gerichtete Licht mindestens einmal reflektiert werden.there should be in an optical fiber that passes through it to an optical interface light directed in focused form reflects at least once become.

Das bei der erfindungsgemäßen Anordnung verwendete Sensorelement ist dabei so ausgebildet, dass an Stirnseiten für den Lichteintritt und den Lichtaustritt jeweils eine asphärisch, konvex gekrümmte optisch wirksame Oberfläche ausgebildet ist. Mittels der an der Lichteintrittsseite angeordneten asphärisch, konvex gekrümmten Oberfläche kann das Anregungslicht der Lichtquelle innerhalb des Sensorelementes bzw, des einen Lichtwellenleiter bildenden Bereiches fokussiert und mit den vorab bezeichneten Einfallswinkeln auf den auf den Grenzflächenbereich, an dem Dünnschicht und Messfläche angeordnet sind, gerichtet werden. Die Einhaltung der gewünschten Einfallswinkel für das Licht auf die optische Grenzfläche können durch entsprechende Gestaltung der asphärisch gekrümmten Oberfläche unter Berücksichtigung der Dimensionierung und dementsprechend der Reflexionsbedingungen innerhalb des Sensorelementes bzw, des den Lichtwellenleiter eines Sensorelementes bildenden Teiles erfolgen.The sensor element used in the arrangement according to the invention is designed such that on the end faces for the light entry and the An aspherical, convexly curved optically effective surface is formed in each case. By means of the aspherical, convexly curved surface arranged on the light entry side, the excitation light of the light source can be focused within the sensor element or the area forming an optical waveguide and can be directed with the previously described angles of incidence onto the interface area on which the thin film and the measuring area are arranged. The desired angle of incidence for the light on the optical interface can be maintained by appropriate design of the aspherically curved surface, taking into account the dimensioning and, accordingly, the reflection conditions within the sensor element or the part forming the optical waveguide of a sensor element.

Die asphärisch, konvex gekrümmte Oberfläche an der Lichtaustrittseite ist dementsprechend so konturiert und angeordnet, dass ein kollimierter Austritt des Lichtes aus dem Sensorelement bzw. Wellenleiter in Richtung auf einen optischen Detektor erreicht wird.The aspherical, convex curved surface is accordingly contoured on the light exit side and arranged that a collimated exit of the light from the sensor element or waveguide in the direction of an optical detector becomes.

Ein solcher optischer Detektor ist bevorzugt so ausgebildet, dass eine ortsaufgelöste Messung erfolgen kann. Es können dementsprechend mehrere CCD-Zeilen, eine CCD-Matrix oder auch ein in CMOS-Technik ausgebildeter optischer Detektor für eine solche ortsaufgelöste Messung eingesetzt werden.On such an optical detector is preferably designed such that a spatially resolved Measurement can take place. It can accordingly several CCD lines, one CCD matrix or one Optical detector designed for this in CMOS technology spatially resolved Measurement can be used.

Mit einem solchen optischen Detektor kann dann ortsaufgelöst die Lichtintensität in Abhängigkeit von Einfallswinkeln des Lichtes auf der vorab erwähnten optischen Grenzfläche im Bereich von Dünnschichten und/oder Messflächen durchgeführt und so zumindest ein zu detektierender Analyt qualitativ/quantitativ detektiert werden.With Such an optical detector can then determine the light intensity as a function of location Angle of incidence of the light on the aforementioned optical interface in the area of thin layers and / or measuring surfaces carried out and at least one analyte to be detected qualitatively / quantitatively can be detected.

Ein solches Sensorelement, das als ein Teil aber auch aus einem Lichtwellenleiter und einem Deckelteil, auf das nachfolgend noch zurückzukommen sein wird, gebildet bzw. zusammengesetzt ist, kann für eine einmalige Verwendung in eine entsprechend ausgebildete Anordnung, die im Wesentlichen aus weiteren in entsprechend geeigneter Form zueinander angeordneten optischen Elementen gebildet ist, eingesetzt und nach durchgeführter Analyse entfernt und für Gesundheit und Umwelt unschädlich entsorgt werden.On such a sensor element, but also as part of an optical waveguide and a cover part, which will be discussed below is formed or composed, can be used once in an appropriately trained arrangement that essentially from others arranged in a suitable form to each other optical elements is formed, used and after analysis removed and for Harmless to health and the environment to be disposed of.

Die angesprochene optische Anordnung kann so im We sentlichen aus zwei Teilen, nämlich einen zu bezeichnenbaren Anregungs- und einen Detektionsteil gebildet werden.The The optical arrangement addressed can essentially consist of two Share, namely an excitation and a detection part that can be designated become.

Der Anregungsteil verwendet mindestens eine Lichtquelle, die bevorzugt monochromatisches Licht abstrahlt. Als geeignete Lichtquellen können z.B. Laserdioden oder Leuchtdioden eingesetzt werden.The Excitation part uses at least one light source, which is preferred emits monochromatic light. Suitable light sources e.g. Laser diodes or light emitting diodes are used.

Die eingesetzten Lichtquellen sollten einerseits möglichst inkohärentes Licht abstrahlen und andererseits eine möglichst punktförmige Lichtaustrittsfläche aufweisen.The The light sources used should on the one hand be as incoherent as possible emit and on the other hand have a point-like light exit surface.

Zwischen Lichtquelle und dem Lichteintritt in das Sensorelement bzw. den Lichtwellenleiter können weitere optische Elemente angeordnet werden. So sollte insbesondere in Fällen, bei denen an einem Sensorelement gleichzeitig mehrere Analyten detektiert werden können, eine optische Blende, deren Spalt schlitzförmig ausgebildet ist, entsprechend angeordnet werden.Between Light source and the light entry into the sensor element or Optical fibers can further optical elements can be arranged. So in particular in cases in which several analytes are detected simultaneously on one sensor element can be an optical diaphragm, the gap of which is slit-shaped, accordingly to be ordered.

Des Weiteren ist es bei Verwendung einer nicht monochromatischen Lichtquelle vorteilhaft, ein optisches Filter, das wiederum bevorzugt ein auf die jeweilige Wellenlänge des eingesetzten Lichtes abgestimmtes Bandpassfilter ist, dort anzuordnen.Of It is also when using a non-monochromatic light source advantageous, an optical filter, which in turn is preferably an on the respective wavelength The bandpass filter matched to the light used is to be arranged there.

Die Anordnung eines kollimierenden optischen Elementes ist vorteilhaft, aber nicht zwingend erforderlich. Im letztgenannten Fall kann eine Divergenz des von der Lichtquelle abgestrahlten Lichtes unter Berücksichtigung des Abstandes der Lichtquelle oder einer optischen Blende von der asphärisch gekrümmten Oberfläche des Sensorelementes/Wellenleiters, durch eine die Divergenz des Lichtes berücksichtigende asphärische Krümmung zumindest teilweise kompensiert werden.The Arrangement of a collimating optical element is advantageous but not absolutely necessary. In the latter case, a Divergence of the light emitted by the light source taking into account the distance of the light source or an optical aperture from the aspherical curved surface of the Sensor element / waveguide, through a the divergence of light considering aspherical curvature at least partially be compensated.

Der Einsatz von kollimiertem Licht, das in das Sensorelement ein- und so auch wieder austritt, bietet jedoch den Vorteil, dass eine nicht so hochgenaue Justierung von Sensorelementen in Bezug zu den anderen optischen Elementen erforderlich ist.The Use of collimated light that enters and into the sensor element so it also exits, but has the advantage that one does not such a high-precision adjustment of sensor elements in relation to the others optical elements is required.

Bei der mit der erfindungsgemäßen Lösung möglichen gleichzeitigen Detektion unterschiedlicher Analyten bzw. aber auch einer Detektion gleicher Analyten auf unterschiedlichen Messflächen, sollten zumindest die Messflächen in einem Abstand zueinander angeordnet sein.at the possible with the solution according to the invention simultaneous detection of different analytes respectively Detection of the same analyte on different measuring surfaces should at least the measuring surfaces be arranged at a distance from each other.

Solche mehreren Dünnschichten und/oder Messflächen können dann eine Reihenanordnung bilden, wobei die einzelnen Messflächen auf einer gemeinsamen Längsachse liegen. Diese Längsachse sollte dann möglichst orthogonal zur optischen Achse, also auch orthogonal zur Strahlrichtung des durch Sensorelement/Lichtwellenleiter geführten Lichtes ausgerichtet sein.Such several thin layers and / or measuring surfaces can then form a row arrangement, with the individual measuring surfaces on a common longitudinal axis lie. This longitudinal axis should then if possible orthogonal to the optical axis, also orthogonal to the beam direction of the light guided by the sensor element / optical waveguide his.

Für die Detektion eines oder auch mehrerer unterschiedlicher Analyten auf Messflächen eines Sensorelementes/Lichtwellenleiters sollte möglichst TMpolarisiertes Licht genutzt werden.For the detection of one or more different analytes on measuring surfaces of one Sensor element / optical waveguide should use TMpolarized light if possible.

Eine solche TM-Polarisierung kann durch die jeweilige Lichtquelle erfolgen oder mittels zusätzlicher hierfür geeigneter optischer Elemente, die im Strahlengang des Lichtes vor bzw. aber auch nach dem Sensorelement/Lichtwellenleiter angeordnet werden können, erreicht werden.A such TM polarization can take place through the respective light source or by means of additional therefor suitable optical elements in front of the light beam or also be arranged after the sensor element / optical fiber can, can be achieved.

So kann für eine ortsaufgelöste Detektion eine Abbildung von TM-polarisiertem Licht auf dem optischen Detektor vorgenommen werden. Bevorzugt sollte aber eine Normierung der ortsaufgelöst erfassten Intensitäten des TM-polarisierten Lichtes mit Referenzsignalen erfolgen. Solche Referenzsignale können durch entsprechend ebenfalls ortsaufgelöst erfasste Intensitäten einer Abbildung von TE-polarisiertem Licht auf dem bzw. einem weiteren optischen Detektor ermittelt und die Normierung durch Quotientenbildung vorgenommen werden.So can for a locally resolved Detection of an image of TM polarized light on the optical Detector can be made. However, standardization should be preferred the disbanded recorded intensities of the TM polarized light with reference signals. Such Reference signals can by means of correspondingly also spatially resolved intensities of one Imaging of TE polarized light on the or another optical detector determined and the normalization by quotient formation be made.

Die Detektion von TM- und TE-polarisiertem Licht kann lokal voneinander getrennt, aber auch zu unterschiedlichen Zeitpunkten alternierend nacheinander durchgeführt werden.The Detection of TM and TE polarized light can be local from each other separately, but also alternating at different times carried out one after the other become.

Für diese beiden Möglichkeiten können unterschiedliche, das Licht entsprechend polarisierende optische Elemente eingesetzt werden.For this both options can different optical polarizing accordingly Elements are used.

Wird das Sensorelement mit unpolarisiertem Licht bestrahlt, so kann beispielsweise ein Polarisationsstrahlteiler eingesetzt werden, über den das aus dem Sensorelement/Lichtwellenleiter austretende Licht in die beiden unterschiedlichen Ebenen polarisiert und auf einen oder zwei optischen Detektor(en) abgebildet wird.Becomes irradiated the sensor element with unpolarized light, for example a polarization beam splitter can be used over the the light emerging from the sensor element / optical fiber in the two different levels polarized and on one or two optical detector (s) is imaged.

Sollen sowohl das TM-, wie auch das TE-polarisierte Licht auf einen optischen Detektor abgebildet werden, kann das in einer Ebene polarisierte Licht direkt und das jeweils andere polarisierte Licht mittels eines geeigneten Umlenkprismas auf einen gemeinsamen optischen Detektor gerichtet werden.Should both the TM and the TE polarized light on an optical Light can be polarized in one plane directly and the other polarized light using a suitable one Deflection prism aimed at a common optical detector become.

Bei Bestrahlung des Sensorelementes mit polarisiertem Licht, besteht die Möglichkeit, einen Polarisationsrotator zwischen Lichtquelle und den Lichteintritt in das Sensorelement bzw. den Lichtwellenleiter anzuordnen. Mit dem Polarisationsrotator kann durch entsprechende elektronische Schaltung eine alternierende Polarisation des in das Sensorelement bzw. Lichtwellenleiter eingestrahlten Lichtes in die beiden bezeichneten Polarisationsebenen erreicht werden.at Irradiation of the sensor element with polarized light the possibility, a polarization rotator between the light source and the light entry to be arranged in the sensor element or the optical waveguide. With the polarization rotator can be replaced by appropriate electronic Circuit an alternating polarization of the in the sensor element or optical waveguide of light radiated into the two designated Polarization levels can be achieved.

Es besteht aber auch die Möglichkeit, zwei entsprechend unterschiedliche Polarisationsfilter alternierend in den Strahlengang zwischen Lichtquelle und Sensorelement zu bewegen.It but there is also the possibility two correspondingly different polarization filters alternating to move in the beam path between light source and sensor element.

Eine weitere Möglichkeit zur Gewinnung von Referenzsignalen besteht darin, am Sensorelement bzw. dem den Lichtwellenleiter bildenden Teil eines Sensorelementes jeweils zwischen den Messflächen und/oder Dünnschichten in einem schräg in Bezug zur Grenzfläche geneigten Winkel ausgerichtete Flächen auszubilden. Deren Neigungswinkel sollte bevorzugt so gewählt werden, dass an diesen Flächen reflektiertes Licht möglichst senkrecht aus dem Sensorelement/Lichtwellenleiter auf einen entsprechend dort angeordneten zusätzlichen optischen Detektor gerichtet wird.A another possibility to obtain reference signals consists in the sensor element or that part of a sensor element which forms the optical waveguide between the measuring surfaces and / or thin films in an oblique in relation to the interface to form inclined surfaces. Their angle of inclination should preferably be chosen this way be reflected on these surfaces Light if possible vertically from the sensor element / optical fiber to a corresponding there ordered additional optical detector is directed.

Vorteilhaft sind am erfindungsgemäß einzusetzenden Sensorelement mikrofluide Strukturen ausgebildet. Mittels dieser mikrofluiden Strukturen kann eine fluide Probe zumindest zu jeweiligen Messflächen strömen, wobei dies durch Kapillarkräfte zumindest jedoch durch Kapillarkraftunterstützung erreichbar ist.Advantageous are to be used on the invention Sensor element microfluidic structures formed. By means of this microfluidic structures can flow a fluid sample at least to the respective measuring surfaces, whereby this through capillary forces is at least achievable through capillary force support.

Vorteilhaft sind die mikrofluiden Strukturen so aus gebildet und angeordnet, dass nicht nur ein entsprechender Probenflüssigkeitstransport zu Messflächen, sondern während der strömenden Bewegung einer flüssigen Probe auch eine Funktionalisierung, Probenvorbereitung bzw. Probenmodifizierung erfolgen kann.Advantageous are the microfluidic structures formed and arranged in such a way that not only a corresponding sample liquid transport to measuring surfaces, but while the pouring Movement of a liquid Sample also functionalization, sample preparation or sample modification can be done.

An einem Sensorelement sollte möglichst ein Probenaufnahmebereich vorhanden sein, von dem die Probe über in Kanalform ausgebildete mikrofluiden Strukturen zu Messflächen strömen kann. Es sollte aber auch eine Aufnahmekammer vorhanden sein, in der die flüssige Probe nach der Detektion gesammelt und darin in gesicherter Form gekapselt aufbewahrt werden kann, bis ein Sensorelement nach dem Gebrauch gefahrlos entsorgt wird.On a sensor element should if possible a sample receiving area from which the sample is in channel form trained microfluidic structures can flow to measuring surfaces. But it should also a receiving chamber in which the liquid sample collected after detection and encapsulated in a secure form can be kept until a sensor element after use is disposed of safely.

Neben Probenaufnahmebereich und Aufnahmekammer können weitere Bereiche in mikrostrukturierter Form ausgebildet sein. So kann beispielsweise ein Bereich zwischen Probenaufnahmeraum und Messflächen zur Separation von Feststoffen aus der flüssigen Probe vorgesehen werden. Hier kann in einem solchen Bereich beispielsweise eine Membran oder ein anderes geeignetes Material aufgenommen sein, so dass in der Flüssigkeit enthaltene, eine Analyse störende Feststoffe, beispielsweise durch Filterung zurückgehalten werden.Next Sample receiving area and receiving chamber can further areas in microstructured Form be formed. For example, a range between Sampling room and measuring surfaces be provided for the separation of solids from the liquid sample. In such an area, for example, a membrane or another suitable material may be included, so that in the liquid included, an analysis disruptive Solids are retained, for example by filtering.

Zusätzlich oder allein kann auch ein weiterer Bereich in mikrostrukturierter Form vorhanden sein, in dem gezielt Bindungen an bestimmten Analyten initiiert werden. Es kann aber auch eine Immobilisierung in einem solchen Bereich vorgenommen werden, wie dies beispielsweise bei Sandwich-Assays erforderlich sein kann. Weiterhin kann eine aktive Bindung und damit eine Entfernung störender Bestandteile oder eine Modifizierung bestimmter Bestandteile des Analyten er folgen.In addition or alone, a further area can also be present in microstructured form, in which bonds to specific analytes are initiated in a targeted manner. However, immobilization can also be carried out in such an area, as may be necessary, for example, in sandwich assays. Furthermore, an active Binding and thus a removal of disruptive components or a modification of certain components of the analyte he follow.

Eine gegebenenfalls einer Probenvorbereitung oder auch Probenmodifizierung unterzogene flüssige Probe gelangt dann zu entsprechend vorbereiteten Messflächen, auf denen dann wiederum komplementäre Partner oder andere geeignete Fängermoleküle oder Fängersubstanzen für den jeweiligen Analyten vorab immobilisiert worden sind, so dass der jeweilige Analyt entsprechend anbinden kann.A if necessary, sample preparation or sample modification undergone liquid The sample then arrives at appropriately prepared measuring surfaces which in turn are complementary Partners or other suitable capture molecules or scavengers for the respective analytes have been immobilized in advance, so that the can connect the respective analyte accordingly.

Wie bereits angesprochen, kann ein Sensorelement aber auch aus zwei miteinander verbundenen Einzelelementen, nämlich einem Lichtwellenleiter und einem Deckelteil gebildet sein. Am Lichtwellenleiter sind dann an dessen sich gegenüberliegenden Stirnseiten für Lichtein- und Lichtaustritt die asphärisch, konvex gekrümmten Oberflächen sowie mindestens eine elektrische leitende Dünnschicht auf der optischen Grenzfläche ausgebildet.How already mentioned, a sensor element can also consist of two interconnected individual elements, namely an optical waveguide and a cover part can be formed. Then on the optical fiber on its opposite End faces for Light entry and exit the aspherical, convex curved surfaces as well as at least an electrically conductive thin film on the optical interface educated.

Die bereits erwähnten mikrofluiden Strukturen können dann an der Unterseite eines Deckelteils, das wiederum auf den Lichtwellenleiter aufgesetzt, und mit diesem dauerhaft verbunden werden kann, ausgebildet sein. Ein so fast vollständig abgeschlossenes Sensorelement kann bei der Detektion vom jeweiligen Laborpersonal gefahrlos gehandhabt und im Anschluss an die Detektion gefahrlos entsorgt werden.The already mentioned microfluidic structures can then on the underside of a cover part, which in turn is on the optical fiber put on, and can be permanently connected to it, trained his. So almost complete Completed sensor element can be detected by the respective Laboratory personnel handled safely and after the detection be disposed of safely.

Eine Probe kann bereits im Sensorelement enthalten sein.A Sample can already be contained in the sensor element.

Es besteht aber auch die Möglichkeit die Probe beispielsweise mit einer Pipette oder eine Kanüle in eine kleine Öffnung in den Probenaufnahmeraum des Sen sorelementes unmittelbar vor Durchführung der eigentlichen Analyse aufzugeben.It but there is also the possibility the sample, for example with a pipette or a cannula into a small opening in the sample receiving space of the sensor element immediately before carrying out the to abandon the actual analysis.

Ein Sensorelement kann vor der eigentlichen Detektion, also einer durchzuführenden Analyse problemlos in eine entsprechend ausgebildete und dimensionierte Aufnahme einer erfindungsgemäßen Anordnung eingesetzt werden und dabei gleichzeitig eine in ausreichendem Maße genaue Justierung in Bezug zu den optischen Elementen für die Lichtein- und Lichtauskopplung erreicht werden, so dass eine Handhabung auch von relativ ungeübtem Laborpersonal ohne weiteres möglich ist.On Sensor element can be carried out before the actual detection, that is to say one that is Analysis easily in a suitably trained and dimensioned Inclusion of an arrangement according to the invention be used and at the same time a sufficiently accurate Adjustment in relation to the optical elements for coupling and decoupling light can be achieved, so that even relatively inexperienced laboratory personnel can handle it easily possible is.

Die Sensorelemente können, was zumindest auf den Lichtwellenleiterbereich zutrifft, aus einem für das eingesetzte Licht der Lichtquelle transparentem Kunststoff hergestellt werden. Bevorzugt kann aber auch ein Deckelteil aus Kunststoff eingesetzt werden, wobei in diesem Fall die Transparenz des Kunststoffes nicht zwingend erforderlich ist. Die Herstellung kann dabei beispielsweise durch Prägen, Heißprägen, aber auch im Kunststoffspritzgussverfahren erfolgen.The Sensor elements can which at least applies to the fiber optic area, from one for the used light of the light source made of transparent plastic become. However, a plastic cover part can preferably also be used be, in which case the transparency of the plastic is not is imperative. The production can, for example by embossing, Hot stamping, however also done in plastic injection molding.

Die angesprochenen mikrofluiden Strukturen können während einer solchen Herstellung mit in das jeweilige Werkstück eingeprägt, aber auch nachfolgend, durch einen entsprechenden Werkstoffabtrag, beispielsweise unter Verwendung eines Lasers ausgebildet werden.The The microfluidic structures mentioned can be produced during such a production with the respective workpiece imprinted, but also subsequently, by appropriate material removal, for example using a laser.

Bei einem Sensorelement, das aus Lichtwellenleiter und Deckelteil gebildet wird, sollten die beiden Teile möglichst stoffschlüssig miteinander verbunden werden.at a sensor element, which consists of an optical fiber and a cover part the two parts should, if possible cohesively be connected to each other.

Die bereits angesprochenen elektrisch leitenden Dünn schichten, die zumindest im Bereich der Messflächen erforderlich sind, können durch an sich bekannte CVD- oder PVD-Verfahren auf der Oberfläche einer optischen Grenzfläche ausgebildet worden sein.The already mentioned electrically conductive thin layers, at least in the area of the measuring surfaces can be required by known CVD or PVD process on the surface an optical interface have been trained.

Sensorelemente können in verschiedenen Modifizierungen vorgehalten werden, was insbesondere eine gezielte Abstimmung auf bestimmte Analyten betrifft.sensor elements can are held in various modifications, which in particular targeting specific analytes.

So können unterschiedliche Probenvorbereitungen oder Probenmodifizierungen und unterschiedlich vorbereitete Messflächen ausgewählt worden sein. Im Übrigen unterscheiden sich die Sensorelemente aber bezüglich ihrer Gestaltung, Dimensionierung und insbesondere ihrer optischen Eigenschaften nicht.So can different sample preparations or sample modifications and differently prepared measuring surfaces have been selected. Otherwise make a distinction but the sensor elements with respect their design, dimensioning and especially their visual appearance Properties not.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert werden.following the invention will be explained in more detail by means of examples.

Dabei zeigen:there demonstrate:

1 in schematischer Form ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Anordnung; 1 in schematic form an example of an arrangement according to the invention;

2 ein zweites Beispiel für eine erfindungsgemäße Anordnung; 2 a second example of an arrangement according to the invention;

3 ein drittes Beispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung; 3 a third example of an arrangement according to the invention;

4 ein Sensorelement mit mikrofluiden Strukturen; 4 a sensor element with microfluidic structures;

5 eine seitliche Schnittdarstellung durch ein Sensorelement mit einer Draufsicht; 5 a side sectional view through a sensor element with a plan view;

6 eine Seitenansicht im Schnitt eines modifizierten Sensorelementes mit einer Draufsicht; 6 a side view in section of a modified sensor element with a top view;

7A Abbildungen von TM- und TE-polarisiertem Licht auf einem optischen Detektor und 7A Images of TM and TE polarized light on an optical detector and

7B ein Diagramm der mittels optischem Detektor erfassten relativen Intensitäten von TM- und TE-polarisiertem Licht in Abhängigkeit vom Einfallswinkel auf die optische Grenzfläche. 7B a diagram of the relative intensities of TM and TE polarized light detected by means of an optical detector as a function of the angle of incidence on the optical interface.

In 1 ist ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung in einer bevorzugten Ausführungsform eines Sensorelementes 5 dargestellt.In 1 is an example of an arrangement according to the invention in a preferred embodiment of a sensor element 5 shown.

Dabei wird Licht einer Lichtquelle 1 (z.B. eine punktförmige LED) über ein kollimierendes optisches Element 2 auf ein auf eine vorgegebene Wellenlänge des Lichtes der Lichtquelle 1 abgestimmtes optisches Bandpassfilter 3 (FWHM mit einer Transmissionsbreite von 10 nm um die Wellenlänge des von der LED emittierten Lichtes) durch eine Spaltblende 4 auf eine asphärisch, konvex gekrümmte Oberfläche 6 des Sensorelementes gerichtet und an der optisch wirksamen Oberfläche 6 des Sensorelementes 5 gebrochen und wie mit der Strichlinie angedeutet, auf eine optische Grenzfläche des Sensorelementes 5, das aus transparentem Kunststoff gebildet ist, fokussiert.Thereby light becomes a light source 1 (eg a punctiform LED) via a collimating optical element 2 to a given wavelength of light from the light source 1 matched optical bandpass filter 3 (FWHM with a transmission width of 10 nm around the wavelength of the light emitted by the LED) through a slit diaphragm 4 on an aspherical, convex curved surface 6 of the sensor element and on the optically effective surface 6 of the sensor element 5 broken and as indicated by the broken line, on an optical interface of the sensor element 5 , which is made of transparent plastic.

Das so in das Sensorelement 5 eintretende Licht ist weitestgehend frei von Speckeln.So in the sensor element 5 incoming light is largely free of speckles.

Der Linienfokus ist dabei im Bereich mindestens einer elektrisch leitenden Dünnschicht 11, die hier aus ei ner 50 nm dicken Goldschicht gebildet ist, angeordnet. Auf der elektrisch leitenden Dünnschicht 11 ist mindestens eine Messfläche 13 vorhanden, auf der beispielsweise für eine Bindung geeignete Moleküle oder Bindungspartner immobilisiert sind.The line focus is in the area of at least one electrically conductive thin layer 11 , which is formed here from a 50 nm thick gold layer, arranged. On the electrically conductive thin film 11 is at least one measuring surface 13 are present on which, for example, molecules or binding partners suitable for binding are immobilized.

Die Fokussierung erfolgt dabei so, dass das Licht innerhalb des Sensorelementes 5 im Bereich von Dünnschicht 11 und Messflächen 13 mit einem Einfallswinkel, oberhalb des Grenzwinkels für Totalreflexion auftrifft. So kann gesichert werden, dass in diesem für die Analyse genutzten Flächenbereich Oberflächen-Plasmonen-Resonanz erreicht werden kann.The focus is such that the light inside the sensor element 5 in the area of thin film 11 and measuring surfaces 13 with an angle of incidence, above the critical angle for total reflection. This ensures that surface plasmon resonance can be achieved in this area used for the analysis.

Von dieser optischen Grenzfläche reflektiertes Licht trifft in divergenter Form auf eine zweite wiederum asphärisch, konvex gekrümmte Oberfläche 7 des Sensorelementes 5 auf und wird an der entsprechenden Grenzfläche gebrochen. Mit der Brechung dieses Lichtes kann eine Kollimierung des aus dem Sensorelement austretenden Lichts erreicht werden.Light reflected from this optical interface strikes a second, again aspherical, convexly curved surface in a divergent form 7 of the sensor element 5 and is broken at the corresponding interface. With the refraction of this light, a collimation of the light emerging from the sensor element can be achieved.

In 1 ist in optionaler Form auch eine Strahlaufweitungsoptik 14 dargestellt, mit der eine vergrößerte Abbildung auf einem optischen Detektor 10 und eine Anpassung an die jeweilge für die Detektion nutzbare Fläche des optischen Detektors 10 erreicht werden kann.In 1 is an optional beam expansion optic 14 shown with an enlarged image on an optical detector 10 and an adaptation to the respective surface of the optical detector that can be used for the detection 10 can be achieved.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist vor dem optischen Detektor 10 ein Polarisationsstrahlteiler 8 angeordnet, mit dessen Hilfe TM-polarisiertes Licht 15 auf den optischen Detektor 10 gerichtet werden kann.In a preferred embodiment is in front of the optical detector 10 a polarization beam splitter 8th arranged, with the help of TM polarized light 15 on the optical detector 10 can be directed.

TE-polarisiertes Licht 16 wird mittels des Polarisa tionsstrahlteilers 8 im rechten Winkel auf ein Umlenkprisma 9 gerichtet und von diesem wiederum neben dem TM-polarisierten Licht auf dem optischen Detektor 10 abgebildet.TE polarized light 16 is by means of the polarization beam splitter 8th at right angles to a deflecting prism 9 directed and in turn by this in addition to the TM polarized light on the optical detector 10 displayed.

Der optische Detektor 10 ist an eine elektronische Auswerteeinheit 18 angeschlossen, in dem eine Auswertung vorgenommen werden kann. In der elektronischen Auswerteeinheit 18 kann dann auch eine Normierung der Intensitätswerte mit Hilfe der TM- und TE-polarisieten Lichtintensitäten vorgenommen werden.The optical detector 10 is connected to an electronic evaluation unit 18 connected in which an evaluation can be carried out. In the electronic evaluation unit 18 the intensity values can then also be normalized using the TM and TE polarized light intensities.

In 2 ist ein zweites Beispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung, bei dem insbesondere das Sensorelement 5 gegenüber dem bei dem Beispiel nach 1 eingesetzten Sensorelement 5 modifiziert worden ist, dargestellt.In 2 is a second example of an arrangement according to the invention, in which in particular the sensor element 5 compared to that in the example below 1 used sensor element 5 has been modified.

Das bei dem in 2 gezeigten Beispiel eingesetzte Sensorelement 5 ist deutlich großflächiger mit einer elektrisch leitenden und hier auch das Licht reflektierenden Dünnschicht 11 versehen worden.That with the in 2 used sensor element shown example 5 is much larger with an electrically conductive and here also the light reflecting thin layer 11 been provided.

Das Licht der Lichtquelle 1 wird wieder über ein kollimierendes optisches Element 2, einen optischen Bandpassfilter 3, eine optische Blende 4 in kollimierter Form auf das Sensorelement 5 gerichtet.The light from the light source 1 is again over a collimating optical element 2 , an optical bandpass filter 3 , an optical aperture 4 in collimated form on the sensor element 5 directed.

Der Lichteintritt erfolgt dabei auf einen planaren Flächenbereich des Sensorelementes. Dabei sollte das Licht möglichst in einem rechten Winkel auf den planaren Flächenbereich des Sensorelementes gerichtet werden. So können Reflexion von Licht verhindert und die Homogenität des eingekoppelten Lichtes verbessert werden.The Light enters a planar area of the sensor element. The light should be at a right angle if possible on the planar surface area of the sensor element are directed. This can prevent reflection of light and homogeneity of the coupled light can be improved.

Unter Berücksichtigung des optischen Brechungsindexes des Sensorelementes 5 können aber auch andere Einfallswinkel des Lichtes 12 gewählt werden, wobei diese dann wiederum die asphärische Krümmung der Oberfläche 6 berücksichtigen müssen.Taking into account the optical refractive index of the sensor element 5 can also use other angles of incidence of light 12 are selected, which in turn is the aspherical curvature of the surface 6 have to take into account.

Die asphärische Krümmung der Oberfläche 6 wird so gewählt, dass auftreffendes Licht in das Sensorelement 5 reflektiert und gleichzeitig fokussiert wird. Nach einer zweiten Reflexion an der hier unten angeordneten optischen Grenzfläche trifft das fokussierte Licht, analog wie beim Beispiel nach 1 bereits beschrieben, auf die optische Grenzfläche (hier oben angeordnet) des Sensorelementes 5 zur Erreichung von Oberflächen-Plasmonen-Resonanz im Bereich von mindestens einer Messfläche 13.The aspherical curvature of the surface 6 is chosen so that incident light enters the sensor element 5 is reflected and focused at the same time. After a second reflection at the optical interface below, this is the case focused light, analogous to the example of 1 already described, on the optical interface (arranged above) of the sensor element 5 to achieve surface plasmon resonance in the area of at least one measuring surface 13 ,

Von dieser Grenzfläche wird das Licht wiederum auf eine untere optische Grenzfläche und von dort auf eine zweite am Lichtaustritt des Sensorelementes 5 angeordnete ebenfalls asphärisch, konvex gekrümmte Oberfläche 7 des Sensorelementes gerichtet. von der Oberfläche 7 wird das Licht in kollimierter Form aus dem Sensorelement in Richtung auf einen optischen Detektor 10 reflektiert.From this interface, the light is in turn directed to a lower optical interface and from there to a second at the light outlet of the sensor element 5 arranged also aspherical, convex curved surface 7 of the sensor element directed. from the surface 7 the light in collimated form from the sensor element towards an optical detector 10 reflected.

Das in kollimierter Form aus dem Sensorelement 5 reflektierte Licht kann dann wieder über eine Strahlaufweitungsoptik 14, Polarisationsstrahlteiler 8, Umlenkprisma 9, als TM- und TE-polarisiertes Licht 15 und 16 auf den optischen Detektor 10 gerichtet werden.The collimated form from the sensor element 5 reflected light can then again via a beam expansion optics 14 , Polarization beam splitter 8th , Deflection prism 9 , as TM and TE polarized light 15 and 16 on the optical detector 10 be judged.

Das in 3 gezeigte Beispiel einer Anordnung zur optischen Detektion verwendet ein Sensorelement 5, wie es auch bei dem Beispiel nach 1 beschrieben worden ist.This in 3 shown example of an arrangement for optical detection uses a sensor element 5 , as in the example below 1 has been described.

Das Licht der Lichtquelle 1 wird wiederum über ein kollimierendes optisches Element 2, ein optisches Bandpassfilter 3, eine optische Spaltblende 4 auf die am Lichteintritt des Sensorelementes 5 angeordnete asphärisch, konvex gekrümmte Oberfläche 6 gerichtet. Vor dem Auftreffen des Lichtes 12 durchdringt dieses Licht aber bei diesem Beispiel ein Polarisationsfilter in Kombination mit einem spannungsgesteuert umschaltbaren Polarisationsrotator 17. Durch entsprechende Schaltung, die von der elektronischen Auswerte- und Steuereinheit 18 erfolgt, gelangt wechselweise TM- und TE-polarisiertes Licht in das Sensorelement 5 und entsprechend polarisiertes Licht trifft dann auch zeitlich versetzt auf den optischen Detektor 10 auf, so dass zeitlich nacheinander mit dem optischen Detektor 10 die Intensitäten von TM- und TE-polarisier-tem Licht ortsaufgelöst erfasst und in der elektronischen Auswerte- und Steuereinheit 18 verarbeitet und ausgewertet werden können.The light from the light source 1 is in turn via a collimating optical element 2 , an optical bandpass filter 3 , an optical slit diaphragm 4 on the light entry of the sensor element 5 arranged aspherical, convex curved surface 6 directed. Before the light hits 12 in this example, however, this light penetrates a polarization filter in combination with a voltage-controlled switchable polarization rotator 17 , Through appropriate circuitry by the electronic evaluation and control unit 18 , TM and TE polarized light alternately enters the sensor element 5 and appropriately polarized light then strikes the optical detector at different times 10 on so that one after the other with the optical detector 10 the intensities of TM and TE polarized light are recorded in a spatially resolved manner and in the electronic evaluation and control unit 18 can be processed and evaluated.

In 4 ist ein Beispiel eines Sensorelementes 5 mit daran ausgebildeten Mikrofluidstrukturelementen in schematischer Form dargestellt.In 4 is an example of a sensor element 5 represented with microfluidic structure elements formed thereon in a schematic form.

Am Sensorelement 5 ist ein Probenaufnahmeraum 20 ausgebildet, in den die Probe, wie bereits im allgemeinen Teil der Beschreibung angesprochen, mittels einer Pipette oder Kanüle aber auch über entsprechend geeignete Leitungen zugeführt werden kann. An diesen Probenaufnahmeraum schließt sich ein Bereich 21 an. In diesem Bereich können in der jeweiligen flüssigen Probe enthaltene Feststoffe separiert werden.On the sensor element 5 is a sample room 20 trained, into which the sample, as already mentioned in the general part of the description, can also be supplied by means of a pipette or cannula but also via correspondingly suitable lines. An area is adjacent to this sample receiving space 21 on. Solids contained in the respective liquid sample can be separated in this area.

Nach diesem Bereich 21 sind hier unterschiedliche Be reiche 22 vorhanden, an denen eine Probenmodifizierung erreichbar ist. So können beispielsweise gezielt Bindungen mit bestimmten analytspezifischen Molekülen initiiert werden, wobei dies auch in dem Bereich 23 erfolgen kann.After this area 21 are different areas here 22 where a sample modification can be reached. For example, specific bonds with specific analyte-specific molecules can be initiated, this also in the area 23 can be done.

An eine solche Probenvorbereitung oder Probenmodifizierung schließt sich ein Kanal 24 an, durch den eine Probe über die Messflächen 13, die hier wiederum in einer Reihe angeordnet sind, strömen kann und letztendlich in der Aufnahmekammer 25 die flüssige Probe aufgenommen werden kann.A channel is connected to such a sample preparation or sample modification 24 through which a sample passes over the measuring surfaces 13 , which in turn are arranged in a row, can flow and ultimately in the receiving chamber 25 the liquid sample can be taken up.

Hier nicht erkennbare elektrisch leitende Dünnschichten 11 sind zumindest unterhalb der Messflächen 13 ausgebildet.Electrically conductive thin layers not visible here 11 are at least below the measuring surfaces 13 educated.

Bei diesem Beispiel eines Sensorelementes 5 wird das für die Anregung von Oberflächen-Plasmonen-Resonanz eingesetzte Messlicht in die asphärisch, konvex gekrümmte Oberfläche 6 eingekoppelt und tritt an der ebenfalls asphärisch, konvex gekrümmten Oberfläche 7 aus dem Sensorelement 5 wieder aus.In this example a sensor element 5 becomes the measuring light used to excite surface plasmon resonance into the aspherical, convexly curved surface 6 coupled and occurs on the also aspherical, convex curved surface 7 from the sensor element 5 out again.

Wie in 4 erkennbar, sind dementsprechend die Messflächen 13 parallel und die Reihenanordnung der Messflächen 13 orthogonal zur Strahlrichtung, also auch zur optischen Achse des Lichtes ausgerichtet.As in 4 Accordingly, the measuring surfaces are recognizable 13 parallel and the row arrangement of the measuring surfaces 13 aligned orthogonally to the beam direction, i.e. also to the optical axis of the light.

Die Strömungsrichtung der flüssigen Probe erfolgt bei dem hier gezeigten Beispiel daher im rechten Winkel zur Strahlrichtung des Lichtes.The flow direction the liquid In the example shown here, the sample is therefore taken at a right angle to the direction of the light.

In nicht dargestellter Form besteht aber auch die Möglichkeit, die Strömungsrichtung der flüssigen Probe parallel zur Strahlrichtung des durch das Sensor elementes 5 geführten Lichtes vorzunehmen, wobei es in diesem Fall dann besonders vorteilhaft ist, die flüssige Probe über jeweils einen gesonderten Mikrokanal zu jeweils einer der Messflächen 13 zu führen. Dadurch kann eine gegenseitige Beeinflussung von Analyten an den unterschiedlichen Messflächen 13 vermieden werden.In a form not shown, there is also the possibility of the flow direction of the liquid sample parallel to the beam direction of the element through the sensor 5 to carry out guided light, in which case it is then particularly advantageous to use a separate microchannel to transmit the liquid sample to one of the measuring surfaces 13 respectively. As a result, there can be a mutual influence of analytes on the different measuring surfaces 13 be avoided.

5 zeigt in schematischer Form eine geschnittene Seitenansicht durch ein zweiteiliges Sensorelement 5 mit aufgesetztem Deckelteil 19, dabei bildet der untere Teil des Sensorelementes 5 ausschließlich einen Lichtwellenleiter, an dessen äußeren Stirnseiten wiederum die asphärisch, konvex gekrümmten Oberflächen 6 und 7 ausgebildet sind. 5 shows in schematic form a sectional side view through a two-part sensor element 5 with attached lid part 19 , the lower part of the sensor element 5 only an optical waveguide, on the outer end faces the aspherical, convex surfaces 6 and 7 are trained.

An der hier oben angeordneten optischen Grenzfläche des Sensorelementes 5 sind elektrisch leitende Dünnschichten 11 und auf diesen wiederum Messflächen 13 beabstandet zueinander und in einer Reihenanordnung ausgebildet.At the optical interface of the sensor element arranged above 5 are electrically conductive thin layers 11 and on this in turn measuring surfaces 13 spaced apart and in a row arrangement.

Im Deckelteil 19 ist oberhalb der Messflächen 13 ein einen Mikrokanal bildender nutenförmiger Einschnitt ausgebildet, durch den die jeweilige Probe zu und über die Messflächen 13 strömen kann.In the lid part 19 is above the measuring surfaces 13 a groove-shaped incision forming a microchannel is formed, through which the respective sample to and over the measuring surfaces 13 can flow.

Die beabstandete Reihenanordnung von Messflächen 13 wird mittels der oberen Darstellung von 5 verdeutlicht.The spaced row arrangement of measuring surfaces 13 is shown using the upper representation of 5 clarified.

In 6 ist wiederum ein Sensorelement 5, das gegenüber dem in 5 gezeigten Beispiel eines Sensorelementes 5 mit Deckelteil 19 geringfügig modifiziert worden ist.In 6 is again a sensor element 5 that compared to the in 5 shown example of a sensor element 5 with cover part 19 has been slightly modified.

Aus der unteren seitlichen Schnittdarstellung wird deutlich, dass zusätzlich in einem Winkel schräg geneigte Flächen 26 jeweils zwischen benachbarten Messflächen 13 ausgebildet sind.From the lower sectional view on the side it is clear that surfaces inclined at an angle 26 between adjacent measurement areas 13 are trained.

An diesen schräg geneigten Flächen 26 wird das für die eigentliche Messung der Oberflächen-Plasmonen-Resonanzanregung nicht genutzte Licht reflektiert und als Referenzsignal auf einen optischen Detektor 29 gerichtet.On these sloping surfaces 26 the light not used for the actual measurement of the surface plasmon resonance excitation is reflected and as a reference signal to an optical detector 29 directed.

Mittels der geneigten Flächen 26 können Beugungseffekte unterdrückt und eine verbesserte Trennung von Signalen benachbarter Messflächen 13 erreicht werden.By means of the inclined surfaces 26 can suppress diffraction effects and an improved separation of signals from neighboring measuring surfaces 13 can be achieved.

Bei einem entsprechenden Neigungswinkel der schräg geneigten Flächen 26 kann ein solcher optischer Detektor 29 unmittelbar unterhalb des Sensorelementes 5 angeordnet werden.With a corresponding angle of inclination of the inclined surfaces 26 can be such an optical detector 29 immediately below the sensor element 5 to be ordered.

Zwischen Sensorelement 5 und optischen Detektor 29 kann ein kollimierendes optisches Element 28 angeordnet werden. Der optische Detektor 29 kann wiederum in nicht dargestellter Form an eine elektronische Auswerte- und Steuereinheit 18 angeschlossen sein und für die Referenzierung/Normierung des Messlichtes, das wiederum bevorzugt in TM-polarisierter Form ausgenutzt wird, eingesetzt werden.Between sensor element 5 and optical detector 29 can be a collimating optical element 28 to be ordered. The optical detector 29 can, in turn, not shown, to an electronic evaluation and control unit 18 be connected and used for referencing / standardizing the measuring light, which in turn is preferably used in TM polarized form.

In 7A sind mit dem optischen Detektor 10 erfasste Abbildungen von TM-polarisiertem Licht 15 und TE-polarisiertem Licht 16 für einzelne Messflächen 13 dargestellt. Dabei sind die streifenförmigen 30 und 31 jeweils die TM- und TE-polarisierte Abbildung einer Messfläche 13 für die jeweiligen Einfallswinkel des in diesen Bereich einfallenden und an der optischen Grenzfläche reflektierten Lichtes.In 7A are with the optical detector 10 captured images of TM polarized light 15 and TE polarized light 16 for individual measuring surfaces 13 shown. The stripes are 30 and 31 the TM and TE polarized image of a measuring surface 13 for the respective angles of incidence of the light incident in this area and reflected at the optical interface.

In 7B ist ein Diagramm der in Abhängigkeit der jeweiligen einfallswinkelabhängig erfassten relativen Intensitäten für eine Messfläche 13 dargestellt.In 7B is a diagram of the relative intensities for a measuring surface which are detected as a function of the respective angle of incidence 13 shown.

So gibt der Kurvenverlauf 30 die einfallswinkelabhängig erfasste Intensität von TM-polarisiertem Licht 15 und der Kurvenverlauf 31 die erfassten Einfallswinkel abhängigen Intensitätswerte für TE-polarisier-tes Licht 16 wieder.So there is the curve 30 the intensity of TM-polarized light as a function of the angle of incidence 15 and the curve 31 the detected angle of incidence dependent intensity values for TE-polarized light 16 again.

Der Kurvenverlauf 32 ist eine durch Quotientenbildung ermittelte Normierung der Kurvenverläufe 30 und 31.The course of the curve 32 is a normalization of the curve profiles determined by quotient formation 30 and 31 ,

Für die Detektion von Analyten kann der jeweilige Einfallswinkel, an dem ein Intensitätsminimum ermittelt worden ist, ausgenutzt werden. Es kann eine Konzentrationsbestimmung für Analyten mittels der jeweiligen Massenbelegung auf Messflächen 13 durch Berechnung aus Messwerten 32 durchgeführt werden.The respective angle of incidence at which an intensity minimum has been determined can be used for the detection of analytes. A concentration determination for analytes can be carried out by means of the respective mass occupancy on measuring surfaces 13 by calculation from measured values 32 be performed.

Claims (26)

Anordnung zur optischen Detektion von in Proben enthaltenen chemischen, biochemischen Molekülen und/oder Partikeln, bei der Licht einer Lichtquelle über mindestens ein bereichsweise als Lichtwellenleiter ausgebildetes Sensorelement auf einen optischen Detektor gerichtet ist, dabei auf einer Grenzfläche des Lichtwellenleiters mindestens eine elektrisch leitende Dünnschicht unterhalb einer Messfläche ausgebildet ist, und das durch den Lichtwellenleiter geführte Licht auf die Grenzfläche im Bereich der Dünnschicht(en) und/oder der Messfläche(n) mit Winkeln im Bereich oberhalb des Totalreflexionswinkels auftrifft, dadurch gekennzeichnet, dass am Sensorelement (5) an einer Stirnseite für den Lichteintritt eine asphärisch, konvex gekrümmte optisch wirksame Oberfläche (6) ausgebildet ist, mit der Licht innerhalb des Sensorelementes (5) in Richtung auf die mit der mindestens einen Dünnschicht (11) und/oder Messfläche (13) belegte Grenzfläche fokussiert gerichtet und eine zweite asphärisch konvex gekrümmte optisch wirksame Oberfläche (7) an der Stirnseite für den Lichtaustritt ausgebildet ist, mit der infolge von Oberflächen-Plasmonen-Resonanz modifiziertes Licht in kollimierter Form auf mindes tens einen optischen Detektor (10) gerichtet ist.Arrangement for the optical detection of chemical, biochemical molecules and / or particles contained in samples, in which light from a light source is directed onto an optical detector via at least one sensor element designed in some areas as an optical waveguide, at least one electrically conductive thin layer below an optical fiber at an interface Measuring surface is formed, and the light guided through the optical waveguide strikes the interface in the area of the thin layer (s) and / or the measuring area (s) with angles in the area above the total reflection angle, characterized in that on the sensor element ( 5 ) an aspherical, convexly curved optically effective surface on one end for the entry of light ( 6 ) is designed with which light within the sensor element ( 5 ) towards those with the at least one thin layer ( 11 ) and / or measuring surface ( 13 ) occupied interface focused and a second aspherically convex curved optically effective surface ( 7 ) is formed on the end face for the light exit, with which modified light due to surface plasmon resonance in collimated form on at least one optical detector ( 10 ) is directed. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Lichtquelle (1) und fokussierender Oberfläche (6) eine optische Blende (4) angeordnet ist, dabei auf der Grenzfläche mindestens zwei Dünnschichten (11) und/oder Messflächen (13) in einem Abstand zueinander angeordnet sind und ein ortsaufgelöst messender optischer Detektor (10) eingesetzt ist.Arrangement according to claim 1, characterized in that between the light source ( 1 ) and focusing surface ( 6 ) an optical aperture ( 4 ) is arranged, at least two thin layers on the interface ( 11 ) and / or measuring surfaces ( 13 ) are arranged at a distance from each other and a spatially resolved optical detector ( 10 ) is used. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Dünnschichten (11) und/oder Messflächen (13) eine Reihenanordnung bilden und die Längsachse der gebildeten Reihe orthogonal zur optischen Achse ausgerichtet ist.Arrangement according to claim 1 or 2, characterized characterized that several thin layers ( 11 ) and / or measuring surfaces ( 13 ) form a row arrangement and the longitudinal axis of the row formed is aligned orthogonally to the optical axis. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des Lichtes ein TM-polarisierendes optisches Element (8, 17) angeordnet ist.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that in the beam path of the light a TM-polarizing optical element ( 8th . 17 ) is arranged. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des Lichtes ein TM- und ein TE-polarisierendes optisches Element (8, 17) angeordnet ist.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that in the beam path of the light a TM and a TE polarizing optical element ( 8th . 17 ) is arranged. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element ein Polarisationsstrahlteiler (8) ist.Arrangement according to claim 4 or 5, characterized in that the optical element is a polarization beam splitter ( 8th ) is. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Umlenkprisma (9) vorhanden ist.Arrangement according to one of claims 4 to 6, characterized in that in addition a deflection prism ( 9 ) is available. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element ein Polarisationsrotator (17) ist.Arrangement according to claim 4 or 5, characterized in that the optical element is a polarization rotator ( 17 ) is. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Lichtquelle und Sensorelement (5) ein kollimierendes optisches Element (2) und/oder ein optisches Filter (3) angeordnet ist/sind.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that between the light source and sensor element ( 5 ) a collimating optical element ( 2 ) and / or an optical filter ( 3 ) is / are arranged. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine monochromatische Lichtquelle (1) vorhanden ist.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that a monochromatic light source ( 1 ) is available. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Sensorelement (5) zwischen Bereichen, an denen Dünnschichten (11) und/oder Messflächen (13) ausgebildet sind, in einem schräg geneigten Winkel ausgerichtete Flächen (26) zur Gewinnung von Referenzsignalen ausgebildet sind.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that on the sensor element ( 5 ) between areas where thin layers ( 11 ) and / or measuring surfaces ( 13 ) are formed, surfaces aligned at an obliquely inclined angle ( 26 ) are designed to obtain reference signals. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Sensorelement mikrofluide Strukturen (20) bis (25) für eine kapillarkraftbedingte Probenführung ausgebildet sind.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that microfluidic structures ( 20 ) to ( 25 ) are designed for sample guidance due to capillary force. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Sensorelement (5) ein Probenaufnahmebereich (20) und eine Aufnahmekammer (25) ausgebildet sind.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that on the sensor element ( 5 ) a sample collection area ( 20 ) and a reception chamber ( 25 ) are trained. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Probenaufnahmebereich (20) und Messflächen (13) Strukturelemente (21) bis (23) für eine Proben vorbereitung bzw. Probenmodifizierung ausgebildet sind.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that between the sample receiving area ( 20 ) and measuring surfaces ( 13 ) Structural elements ( 21 ) to ( 23 ) are trained for sample preparation or sample modification. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mikrofluiden Strukturelemente (20) bis (25) am Boden eines auf den Lichtwellenleiter des Sensorelementes (5) aufsetzbaren Deckelteiles (19) ausgebildet sind.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the microfluidic structural elements ( 20 ) to ( 25 ) on the bottom of an on the optical fiber of the sensor element ( 5 ) attachable cover part ( 19 ) are trained. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberfläche des Sensorelementes (5) eine reflektierende Beschichtung (11') ausgebildet ist und von der Lichtquelle (1) auf eine planare Oberfläche des Sensorelementes (5) gerichtetes Licht in Richtung auf die Dünnschicht(en) (11) und/oder Messfläche(n) (13) in fokussierter Form reflektiert wird.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that on the surface of the sensor element ( 5 ) a reflective coating ( 11 ' ) is formed and from the light source ( 1 ) on a planar surface of the sensor element ( 5 ) directed light towards the thin film (s) ( 11 ) and / or measuring surface (s) ( 13 ) is reflected in a focused form. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der asphärisch gekrümmten Oberfläche (7) reflektiertes Licht in kollimierter Form aus einer planaren Fläche des Sensorelementes (5) in Richtung auf den optischen Detektor (10) austritt.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that on the aspherically curved surface ( 7 ) reflected light in a collimated form from a planar surface of the sensor element ( 5 ) towards the optical detector ( 10 ) exit. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe durch separate parallel zueinander ausgerichtete Mikrokanäle zu jeweils einer Messfläche (13) geführt ist.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the sample by means of separate microchannels aligned parallel to one another to a respective measuring surface ( 13 ) is performed. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Probenvorbereitung bzw. Probenmodifizierung ein Feststoffe separierender Bereich (21), ein Modifikationsbereich (22) und/oder ein Bindungs- bzw. Immobilisierungsbereich (23) vorhanden ist/sind.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that an area separating solids (for sample preparation or sample modification ( 21 ), a modification area ( 22 ) and / or a binding or immobilization area ( 23 ) is / are. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das/die asphärisch gekrümmte(n) Oberfläche(n) (6) und/oder (7) eine lichtbrechende Wirkung aufweist/aufweisen.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the aspherically curved surface (s) (s) ( 6 ) and or ( 7 ) has / have a refractive effect. Verfahren zur Detektion von in Proben enthaltenden chemischen, biochemischen Molekülen und/oder Partikeln, unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine ortsaufgelöste Detektion der auf einen optischen Detektor (10) einfallenden Lichtintensität in Abhängigkeit des Einfallswinkels des Lichtes auf der Grenzfläche des Sensorelementes (5) im Bereich der Dünnschicht(en) (11) und/oder Messfläche(n) (13) durchgeführt wird.Method for the detection of chemical, biochemical molecules and / or particles contained in samples, using a device according to one of the preceding claims, characterized in that a spatially resolved detection of the optical detector ( 10 ) incident light intensity as a function of the angle of incidence of the light on the interface of the sensor element ( 5 ) in the area of the thin film (s) ( 11 ) and / or measuring surface (s) ( 13 ) is carried out. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine Erfassung von TM-polarisiertem Licht durchgeführt wird.A method according to claim 21, characterized in that TM polarized light detection is performed. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass eine Normierung des TM-polarisierten Lichtes mit Referenzsignalen durchgeführt wird.A method according to claim 21 or 22, characterized in that a normalization of the TM polarized light with reference signals by to be led. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass zur Normierung TE-polarisiertes Licht verwendet wird.Method according to one of claims 21 to 23, characterized in that that TE polarized for normalization Light is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das TM- und TE-polarisierte Licht örtlich voneinander getrennt detektiert wird.Method according to one of claims 21 to 24, characterized in that that the TM and TE polarized Local light is detected separately from one another. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das TM- und TE-polarisierte Licht zeitlich getrennt detektiert wird.Method according to one of claims 21 to 24, characterized in that that the TM and TE polarized Light is detected separately in time.
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