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 PDFInfo
- Publication number
- 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
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- light
- sensor element
- optical
- arrangement according
- area
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/55—Specular reflectivity
- G01N21/552—Attenuated total reflection
- G01N21/553—Attenuated total reflection and using surface plasmons
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
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:
In
Dabei
wird Licht einer Lichtquelle
Das
so in das Sensorelement
Der
Linienfokus ist dabei im Bereich mindestens einer elektrisch leitenden
Dünnschicht
Die
Fokussierung erfolgt dabei so, dass das Licht innerhalb des Sensorelementes
Von
dieser optischen Grenzfläche
reflektiertes Licht trifft in divergenter Form auf eine zweite wiederum
asphärisch,
konvex gekrümmte
Oberfläche
In
In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist vor dem optischen Detektor
TE-polarisiertes
Licht
Der
optische Detektor
In
Das
bei dem in
Das
Licht der Lichtquelle
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
Die
asphärische
Krümmung
der Oberfläche
Von
dieser Grenzfläche
wird das Licht wiederum auf eine untere optische Grenzfläche und
von dort auf eine zweite am Lichtaustritt des Sensorelementes
Das
in kollimierter Form aus dem Sensorelement
Das
in
Das
Licht der Lichtquelle
In
Am
Sensorelement
Nach
diesem Bereich
An
eine solche Probenvorbereitung oder Probenmodifizierung schließt sich
ein Kanal
Hier
nicht erkennbare elektrisch leitende Dünnschichten
Bei
diesem Beispiel eines Sensorelementes
Wie
in
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
An
der hier oben angeordneten optischen Grenzfläche des Sensorelementes
Im
Deckelteil
Die
beabstandete Reihenanordnung von Messflächen
In
Aus
der unteren seitlichen Schnittdarstellung wird deutlich, dass zusätzlich in
einem Winkel schräg geneigte
Flächen
An
diesen schräg
geneigten Flächen
Mittels
der geneigten Flächen
Bei
einem entsprechenden Neigungswinkel der schräg geneigten Flächen
Zwischen
Sensorelement
In
In
So
gibt der Kurvenverlauf
Der
Kurvenverlauf
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
Claims (26)
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE2003124973 DE10324973B4 (en) | 2003-05-27 | 2003-05-27 | Arrangement and method for the optical detection of chemical, biochemical molecules and / or particles contained in samples |
| EP04738589A EP1627220A1 (en) | 2003-05-27 | 2004-05-26 | Arrangement and method for the optical detection of chemical and biochemical molecules and/or particles contained in samples |
| PCT/DE2004/001135 WO2004106901A1 (en) | 2003-05-27 | 2004-05-26 | Arrangement and method for the optical detection of chemical and biochemical molecules and/or particles contained in samples |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE2003124973 DE10324973B4 (en) | 2003-05-27 | 2003-05-27 | Arrangement and method for the optical detection of chemical, biochemical molecules and / or particles contained in samples |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE10324973A1 true DE10324973A1 (en) | 2004-12-30 |
| DE10324973B4 DE10324973B4 (en) | 2006-04-13 |
Family
ID=33482406
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE2003124973 Expired - Fee Related DE10324973B4 (en) | 2003-05-27 | 2003-05-27 | Arrangement and method for the optical detection of chemical, biochemical molecules and / or particles contained in samples |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP1627220A1 (en) |
| DE (1) | DE10324973B4 (en) |
| WO (1) | WO2004106901A1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1835277A1 (en) * | 2006-03-15 | 2007-09-19 | Omron Corporation | Optical component, optical sensor, surface plasmon sensor and fingerprint recognition device |
| DE102006024355A1 (en) * | 2006-05-19 | 2007-11-22 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Microfluidic arrangement for the detection of chemical, biochemical molecules and / or particles contained in samples |
| US7973934B2 (en) | 2006-09-01 | 2011-07-05 | Andreas Hofmann | Plasmon resonance sensor |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010025580A (en) * | 2008-07-15 | 2010-02-04 | Olympus Corp | Optical unit |
| DE102010038431A1 (en) | 2010-07-26 | 2012-01-26 | Diasys Diagnostic Systems Gmbh | Measuring cassette and measuring device for the detection of target molecules in a liquid sample by measuring fluorescence emission after excitation in the evanescent field |
| DE102021112251B4 (en) | 2020-12-29 | 2023-03-09 | Interherence GmbH | opto-electronic chip |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0341928A1 (en) * | 1988-05-10 | 1989-11-15 | AMERSHAM INTERNATIONAL plc | Improvements relating to surface plasmon resonance sensors |
| WO1992005426A1 (en) * | 1990-09-13 | 1992-04-02 | Amersham International Plc | Biological sensors |
| EP0851230A1 (en) * | 1996-12-30 | 1998-07-01 | Diagnostic Products Corporation | Method and Apparatus for Immunoassay using Fluorescent Induced Surface Plasma Emission |
| WO2000046589A1 (en) * | 1999-02-01 | 2000-08-10 | Vir A/S | A surface plasmon resonance sensor |
| WO2003034046A1 (en) * | 2001-10-17 | 2003-04-24 | Vir A/S | Surface plasmon resonance sensor |
| US20030107741A1 (en) * | 2001-12-11 | 2003-06-12 | Pyo Hyeon Bong | Surface plasmon resonance sensor system |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SE462408B (en) * | 1988-11-10 | 1990-06-18 | Pharmacia Ab | OPTICAL BIOSENSOR SYSTEM USING SURFACE MONITORING RESONSE FOR THE DETECTION OF A SPECIFIC BIOMOLIC CYCLE, TO CALIBRATE THE SENSOR DEVICE AND TO CORRECT FOUND BASELINE OPERATION IN THE SYSTEM |
| US5485277A (en) * | 1994-07-26 | 1996-01-16 | Physical Optics Corporation | Surface plasmon resonance sensor and methods for the utilization thereof |
| US6312888B1 (en) * | 1998-06-10 | 2001-11-06 | Abbott Laboratories | Diagnostic assay for a sample of biological fluid |
| AU2002327220A1 (en) * | 2001-07-10 | 2003-01-29 | Wisconsin Alumni Research Foundation | Surface plasmon resonance imaging of micro-arrays |
| DE10145719A1 (en) * | 2001-09-17 | 2003-04-10 | Inst Chemo Biosensorik | Optical hydrogen sensor comprises an optically transparent substrate with a first surface, and a hydrogen-sensitive layer containing or consisting of a metal, metal oxide or polymer |
-
2003
- 2003-05-27 DE DE2003124973 patent/DE10324973B4/en not_active Expired - Fee Related
-
2004
- 2004-05-26 EP EP04738589A patent/EP1627220A1/en not_active Ceased
- 2004-05-26 WO PCT/DE2004/001135 patent/WO2004106901A1/en active Application Filing
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0341928A1 (en) * | 1988-05-10 | 1989-11-15 | AMERSHAM INTERNATIONAL plc | Improvements relating to surface plasmon resonance sensors |
| WO1992005426A1 (en) * | 1990-09-13 | 1992-04-02 | Amersham International Plc | Biological sensors |
| EP0851230A1 (en) * | 1996-12-30 | 1998-07-01 | Diagnostic Products Corporation | Method and Apparatus for Immunoassay using Fluorescent Induced Surface Plasma Emission |
| WO2000046589A1 (en) * | 1999-02-01 | 2000-08-10 | Vir A/S | A surface plasmon resonance sensor |
| WO2003034046A1 (en) * | 2001-10-17 | 2003-04-24 | Vir A/S | Surface plasmon resonance sensor |
| US20030107741A1 (en) * | 2001-12-11 | 2003-06-12 | Pyo Hyeon Bong | Surface plasmon resonance sensor system |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1835277A1 (en) * | 2006-03-15 | 2007-09-19 | Omron Corporation | Optical component, optical sensor, surface plasmon sensor and fingerprint recognition device |
| US7692795B2 (en) | 2006-03-15 | 2010-04-06 | Omron Corporation | Optical component, optical sensor, surface plasmon sensor and fingerprint recognition device |
| DE102006024355A1 (en) * | 2006-05-19 | 2007-11-22 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Microfluidic arrangement for the detection of chemical, biochemical molecules and / or particles contained in samples |
| DE102006024355B4 (en) * | 2006-05-19 | 2008-04-03 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Microfluidic arrangement for the detection of chemical, biochemical molecules and / or particles contained in samples |
| US7973934B2 (en) | 2006-09-01 | 2011-07-05 | Andreas Hofmann | Plasmon resonance sensor |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2004106901A1 (en) | 2004-12-09 |
| DE10324973B4 (en) | 2006-04-13 |
| EP1627220A1 (en) | 2006-02-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP0793090B1 (en) | Measuring system with probe carrier transparent for excitation and measurement beam | |
| DE69221306T2 (en) | METHOD FOR PHOTOMETRIC (IN VITRO) DETERMINATION OF THE CONTENT OF ANALYTIC IN A SAMPLE | |
| EP0910792B1 (en) | Process and device for carrying out quantitative, fluorescence affinity tests | |
| EP1068511B1 (en) | Arrangement for surface plasmon resonance spectroscopy | |
| DE68903785T2 (en) | BIOSENSORS. | |
| DE102007033124B4 (en) | Device for the optical detection of substances in a liquid or gaseous medium | |
| DE19725050C2 (en) | Arrangement for the detection of biochemical or chemical substances by means of fluorescent light excitation and method for their production | |
| EP1257809B1 (en) | Spr sensor and spr sensor arrangement | |
| DE10392315B4 (en) | Optical configuration and method for differential refractive index measurements | |
| DE10151312C2 (en) | Surface plasmon resonance sensor | |
| DE10163657B4 (en) | Apparatus and method for investigating thin films | |
| AT513859B1 (en) | Micro-fluorescence detection device and method for detection | |
| EP1347284B1 (en) | Sample holder with integrated optics | |
| WO2001086262A1 (en) | Plasmon resonance sensor | |
| DE102006041338B3 (en) | Plasmon resonance sensor | |
| WO2008135566A2 (en) | Measuring unit and method for optical investigation of a liquid for an analyte concentration | |
| DE10324973B4 (en) | Arrangement and method for the optical detection of chemical, biochemical molecules and / or particles contained in samples | |
| EP0427943A1 (en) | Fibre-optic sensor for the detection of photothermic effects | |
| WO2012038346A1 (en) | Sensor for monitoring a medium | |
| DE102008014335B4 (en) | Apparatus and method for determining a refractive index of a DUT | |
| WO2012038347A1 (en) | Sensor for monitoring a medium | |
| DE102010041141B4 (en) | Sensor for monitoring a medium | |
| DE19920184C2 (en) | Methods for the simultaneous detection of diffuse and specular reflection of samples, in particular opaque samples, and reflectance measuring probe | |
| DE102004039564B4 (en) | Apparatus for optically screening biological sample surfaces, e.g. in drug screening or diagnostic tests, comprises exciting fluorescence simultaneously in multiple samples with evanescent electromagnetic field using split beam | |
| DE19751403A1 (en) | Process and assembly for determining absorption, fluorescence, scatter and refraction of liquids, gases and solids |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |