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DE10324973B4 - 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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DE10324973B4
DE10324973B4 DE2003124973 DE10324973A DE10324973B4 DE 10324973 B4 DE10324973 B4 DE 10324973B4 DE 2003124973 DE2003124973 DE 2003124973 DE 10324973 A DE10324973 A DE 10324973A DE 10324973 B4 DE10324973 B4 DE 10324973B4
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Michaela Harz
Alexander Dipl.-Phys. Büttner
Peter Dr.rer.nat. Schreiber
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Abstract

Anordnung zur optischen Detektion von in Proben enthaltenen chemischen, biochemischen Molekülen und/oder Partikeln, bei der Licht einer Lichtquelle (1) über mindestens ein bereichsweise als Lichtwellenleiter ausgebildetes Sensorelement (5) auf einen ortsaufgelöst messenden optischen Detektor (10) gerichtet ist, dabei auf einer Grenzfläche des Lichtwellenleiters mindestens eine elektrisch leitende Dünnschicht (11) ausgebildet ist, und das durch den Lichtwellenleiter geführte Licht auf die Grenzfläche im Bereich der Dünnschicht(en) (11) und/oder darüber ausgebildeten Messflächen (13) mit Winkeln im Bereich oberhalb des Totalreflexionswinkels auftrifft, dabei mehrere Dünnschichten (11) und/oder Messflächen (13) eine Reihenanordnung bilden und die Längsachse der gebildeten Reihe orthogonal zur optischen Achse ausgerichtet ist; außerdem 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 Messflächen (13) belegte Grenzfläche fokussiert gerichtet und eine zweite asphärisch konvex...arrangement for the optical detection of chemical, biochemical molecules contained in samples and / or Particles, in the light of a light source (1) over at least a partially formed as an optical waveguide sensor element (5) on a spatially resolved measuring optical detector (10) is directed, while on a interface of the optical waveguide at least one electrically conductive thin film (11) is formed, and the guided through the optical waveguide light on the interface in the field of thin film (s) (11) and / or above trained measuring surfaces (13) with angles in the range above the total reflection angle impinges, while several thin films (11) and / or measuring surfaces (13) form a series arrangement and the longitudinal axis of the row formed oriented orthogonal to the optical axis; also on Sensor element (5) on an end face for the light entry an aspherical, convex curved optically effective surface (6) is formed with the light within the sensor element (5) towards the one with the at least one thin film (11) and / or measuring surfaces (13) occupied interface focused and focused a second aspheric convex ...

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Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfarren 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 distortion to the optical Detection of sample-containing chemical, biochemical molecules and / or Particles in which, depending on the optical refractive index changing Surface plasmon resonance (SPR) for the optical detection can be exploited. With the solution according to the invention, the different analytes, in different, preferably liquid samples are included, without the use of any markers, such as For example, in conventional 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 may be based on general receptor-ligand systems, e.g. based on a variety of antigen-antibody combinations. It can in biological fluids contained proteins, molecules, Particles and other substances are 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 have shortcomings. This concerns the very 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.Frequently also the required measuring accuracy has not been reached, so the reliability the analysis results are limited and corresponding evidence is not can be done with sufficiently high 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.One Another problem, the previously known for such purposes usable technical solutions are the relatively high costs, on the one hand by a increased accordingly equipment and on the other hand, the high cost of suitable Sample carrier, for security reasons Especially in medical diagnostics for single use as a "disposable" be designed 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.Need several Individual parts in such an optical detection device before 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 are also described with the problems described in WO 00/46589 technical solution at least not completely solved.

Des Weiteren ist aus WO 03/034046 A1 ein Oberflä chenplasmonen-Resonanz-Sensor bekannt, bei dem eine Basiseinheit mit einer Lichtquelle zur Erzeugung von Lichtstrahlen und eine optische Sensoreinheit zur Anregung von Oberflächenplasmonen vorhanden sind. Außerdem weist dieser Sensor einen dünnen Metallfilm, als Messfläche auf, die mit einer zu messenden Probe in Kontakt gebracht werden kann.Of Furthermore, from WO 03/034046 A1 a Oberflä chenplasmonen resonance sensor known in which a base unit with a light source for generating of light rays and an optical sensor unit for exciting Surface plasmons available are. Furthermore this sensor has a thin one Metal film, as measuring surface which can be brought into contact with a sample to be measured.

Eine ähnliche Lösung ist in EP 0 851 230 A1 beschrieben, die für die Durchführung von Immunoassays geeignet ist.A similar solution is in EP 0 851 230 A1 described, which is suitable for the performance of immunoassays.

Aus EP 0 341 928 A1 ist ebenfalls ein Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor, mit dem biochemische und andere ähnliche Tests auf großen Probenflächendurchführbar sind, bekannt.Out EP 0 341 928 A1 Also, a surface plasmon resonance sensor capable of performing biochemical and other similar tests on large sample areas is known.

Die WO 92/05426 A1 entnehmbare Lehre betrifft einen biologischen Sensor, bei dem ebenfalls Oberflächenplasmonen-Resonanzeffekte, die durch reflektierter elektromagnetischer Strahlung initiiert werden können, bekannt.The WO 92/05426 A1 discloses a biological sensor, which also has surface plasmon resonance effects, which are initiated by reflected electromagnetic radiation can, known.

Ein weiterer Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor ist in US 2003/0107741 A1 beschrieben und dabei wird elektromagnetische Strahlung auf eine Oberfläche gerichtet, an einer konvex gewölbten Oberfläche gebrochen und an einer weiteren Grenzfläche reflektiert, so dass nach einer nachfolgenden zusätzlichen Brechung die von der Oberfläche reflektierte elektromagnetische Strahlung auf einen Detektor auftreffen kann.One additional surface plasmon resonance sensor is described in US 2003/0107741 A1 and thereby becomes electromagnetic Radiation on a surface directed, broken at a convexly curved surface and at another interface reflected, so after a subsequent additional Refraction from the surface reflected electromagnetic radiation impinging on a detector can.

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 the optical detection of different 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 exploited in the refractive index, to provide that at low Effort, low cost a sufficiently high detection security reached.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Anordnung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist sowie einem Verfahren gemäß Patentanspruch 20 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.According to the invention this Task with an arrangement having the features of claim 1 and a method according to claim 20 solved. Advantageous embodiments and developments of the invention can having the features indicated in the subordinate claims 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 such that light from a light source is directed onto an optical detector via at least one sensor element, which in turn is at least partially configured as an optical waveguide for the light. The light guide within the optical waveguide or a correspondingly formed sensor element takes place doing so in a conventional manner. To induce surface plasmon resonance, at least one electrically conductive thin film is formed on the surface of an interface on the sensor element. The thin film may be formed of various metals, preferably gold or silver, with film thicknesses in the range between 20 and 200 nm, utilizing reflectivity changes due to changes in surface plasmon resonance caused by changes in refractive index within a narrow range above the film simultaneously can be. Above such a thin layer one or more measuring surfaces, preferably for each different analyte may have been arranged or formed.

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 waveguide or a trained accordingly Sensor element then takes place so that the light in this area on the interface so incident that angle of incidence above the total reflection angle, below consideration predeterminable wavelengths and the respective refractive indices are maintained 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, which passes through it on an optical fiber interface Reflected light reflected in focused form 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 used in the inventive arrangement Sensor element is designed so that on end faces for the light entry and the light exit respectively an aspherical, convex curved optically effective surface is trained. By means of the arranged on the light entrance side aspherical, convex curved surface can the excitation light of the light source within the sensor element or the area forming an optical waveguide focused and with the previously described angles of incidence on the interface area, on the thin film and measuring surface arranged are to be judged. Adherence to the desired angle of incidence for the light on the optical interface can by appropriate design of the aspherically curved surface below consideration the dimensioning and, accordingly, the reflection conditions within the sensor element or the optical waveguide of a Sensor element forming part done.

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 at the light exit side is accordingly contoured and arranged that a collimated exit of the light from the sensor element or waveguide in the direction of an optical detector achieved becomes.

Ein solcher optischer Detektor ist 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.One such optical detector is designed so that a spatially resolved measurement can be done. It can Accordingly, several CCD lines, a CCD matrix or a CMOS technology formed optical detector for such a spatially resolved measurement 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 be spatially resolved, the light intensity as a function of Angles of incidence of the light on the aforementioned optical interface in the region of thin films and / or measuring surfaces performed and so at least one analyte to be detected qualitatively / quantitatively 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.One Such a sensor element, as a part but also from an optical waveguide and a lid part, which will be discussed later is, is formed or composed for single use in a suitably trained arrangement, which is essentially from another in accordance with appropriate form arranged to each other formed optical elements used and after performing analysis removed and for Health and environment harmless 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 addressed optical arrangement can so sentlichen from two Share, namely a designated excitation and a detection part formed become.

Der Anregungsteil verwendet mindestens eine Lichtquelle, die bevorzugt monochromatisches Licht abstrahlt. Als geeignete Lichtquellen können z.B. Laserdioden oder Leuchtdioden eingesetzt werden.Of the Excitation part uses at least one light source, which is preferred Monochromatic light radiates. As suitable light sources, e.g. Laser diodes or LEDs are used.

Die eingesetzten Lichtquellen sollten einerseits möglichst inkohärentes Licht abstrahlen und andererseits eine möglichst punktförmige Lichtaustrittsfläche aufweisen.The On the one hand, the light sources used should be as incoherent as possible radiate and on the other hand have a point-like possible 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 entering the sensor element or the Fiber optic cables can further optical elements are arranged. So should in particular in cases, in which several analytes are detected simultaneously on one sensor element can be an optical aperture whose slot is slit-shaped, according to 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 Further, when using a non-monochromatic light source advantageous, an optical filter, which in turn preferably on the respective wavelength The bandpass filter tuned 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 opti element is advantageous, but not mandatory. 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 of the aspherically curved surface of the sensor element / waveguide, by an aspheric curvature taking into account the divergence of the light can be at least partially 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.Of the Use of collimated light entering and leaving the sensor element so again, but offers the advantage that one is not so highly accurate 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, sollen zumindest die Messflächen in einem Abstand zueinander angeordnet sein.at the possible with the inventive solution simultaneous detection of different analytes or else a detection of the same analytes on different measuring surfaces, should at least the measuring surfaces be arranged at a distance to each other.

Solche mehreren Dünnschichten und/oder Messflächen sollen eine Reihenanordnung bilden, wobei die einzelnen Messflächen auf einer gemeinsamen Längsachse liegen. Diese Längsachse soll dann orthogonal zur optischen Achse, also auch orthogonal zur Strahlrichtung des durch Sensorelement/Lichtwellenleiter geführten Lichtes ausgerichtet sein.Such several thin films and / or measuring surfaces should form a series arrangement, with the individual measuring surfaces a common longitudinal axis lie. This longitudinal axis should then orthogonal to the optical axis, ie orthogonal to Beam direction of the guided by the sensor element / optical fiber light be aligned.

Für die Detektion eines oder auch mehrerer unterschiedlicher Analyten auf Messflächen eines Sensorelementes/Lichtwellenleiters sollte möglichst TM-polarisiertes Licht genutzt werden.For the detection one or more different analytes on measuring surfaces of a sensor element / optical waveguide should if possible TM-polarized light be used.

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 be done by the respective light source or by means of additional therefor suitable optical elements, in the beam path of the light before but also be arranged after the sensor element / optical waveguide 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 spatially resolved Detecting a picture of TM polarized light on the optical Detector be made. However, a normalization should be preferred the spatially resolved recorded intensities of TM polarized light with reference signals. Such Reference signals can by correspondingly also spatially resolved intensities of a Illustration of TE polarized light on one or more optical detector and the normalization by quotient 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 to each other separated, but also alternating at different times performed in succession become.

Für diese beiden Möglichkeiten können unterschiedliche, das Licht entsprechend polarisierende optische Elemente eingesetzt werden.For this both ways can different, the light correspondingly polarizing optical 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 the sensor element irradiated with unpolarized light, so for example a polarization beam splitter can be used over the the light emerging from the sensor element / optical waveguide the two different levels polarized and onto one or the other two optical detector (s) is mapped.

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 Detector can be the polarized in a plane light directly and the other polarized light by means of a suitable Deflection prism directed to 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 exists the possibility, a polarization rotator between the light source and the light entrance to arrange in the sensor element or the optical waveguide. With the polarization rotator can by appropriate electronic Circuit an alternating polarization of the in the sensor element or optical fibers irradiated light in 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 it is also possible two correspondingly different polarizing filters alternating to move in the beam path between the 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 for obtaining reference signals is at the sensor element or the optical waveguide forming part of a sensor element respectively between the measuring surfaces and / or thin films in a diagonal in relation to the interface form inclined inclined surfaces. Their angle of inclination should preferably be chosen be reflected on these surfaces Light as possible perpendicular from the sensor element / optical fiber to a corresponding there arranged additional directed to the optical detector.

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 according to the invention Sensor element formed microfluidic structures. By means of this microfluidic structures may flow a fluid sample at least to respective measuring surfaces, wherein this by capillary forces but at least achievable by 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.Advantageously, the microfluidic structures are formed and arranged so that not only a corresponding sample liquid transport to measuring surfaces, but during the flowing Be a liquid sample also functionalization, sample preparation or sample modification can be carried out.

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.At a sensor element should as possible a sample receiving area may be present from which the sample is channeled trained microfluidic structures can flow to measuring surfaces. It should, too a receiving chamber may be present in which the liquid sample collected after detection and encapsulated in a secure form can be stored until a sensor element after use safely disposed of.

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 be further areas in microstructured Form be formed. For example, an area between Sample receiving space and measuring surfaces be provided for the separation of solids from the liquid sample. Here, in such an area, for example, a membrane or be incorporated into another suitable material, so that in the liquid contained, an analysis disturbing Solids, for example, be retained 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.Additionally or alone can also be another area in microstructured form be present in the targeted binding to certain analytes be initiated. But it can also be an immobilization in one be made in this area, as for example in Sandwich assays may be required. Furthermore, an active bond and thus a distance more disturbing Ingredients or a modification of certain components of the Analytes 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 subjected to liquid Sample then arrives at appropriately prepared measuring surfaces which then in turn complementary Partners or other suitable catcher molecules or scavengers for the respective analytes have been immobilized in advance, so that the can bind 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.As already mentioned, a sensor element but also of two interconnected individual elements, namely an optical waveguide and a lid part may be formed. On the optical fiber are then at its opposite End faces for Lichtein- and light exit the aspheric, convex curved surfaces and 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 lid part, which in turn on the optical fiber attached, and can be permanently connected to this, trained be. One so almost complete completed sensor element may in the detection of the respective Laboratory staff safely handled and following the detection be safely disposed of.

Eine Probe kann bereits im Sensorelement enthalten sein.A Sample may 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 For example, the sample with a pipette or a cannula in one small opening in the sample receiving space of Sen sorelementes immediately before the implementation of 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.One Sensor element can before the actual detection, so one to be performed Analysis easily in a suitably trained and dimensioned Recording an arrangement according to the invention be used and at the same time a sufficiently accurate Adjustment in relation to the optical elements for light input and output be achieved, so that a handling of relatively untrained laboratory personnel readily 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 applies at least to the optical waveguide range, from a for the used light made of the light source transparent plastic become. Preferably, however, a lid part made of plastic may also be used in which case the transparency of the plastic is not is mandatory. The production can, for example by embossing, Hot stamping, but also be carried out in plastic injection molding process.

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 addressed microfluidic structures can during such production into the respective workpiece imprinted, but also below, by an appropriate material removal, for example be formed 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 formed of optical waveguide and cover part is, should the two parts as 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 are required by per se 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 be kept in various modifications, which in particular a targeted vote on certain Analy concerns.

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 differ However, the sensor elements with respect to their design, dimensioning and in particular their optical Properties not.

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

Dabei zeigen:there demonstrate:

1 in schematischer Form ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Anordnung; 1 in schematic form an example of an inventive arrangement;

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 plan view;

7A Abbildungen von TM- und TE-polarisiertem Licht auf einem optischen Detektor und 7A Illustrations 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 detected by means of optical detector relative intensities of TM and TE polarized light 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.At the same time, light becomes a light source 1 (eg a point LED) via a collimating optical element 2 to one to a predetermined wavelength of the light of 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 directed the sensor element and at the optically effective surface 6 of the sensor element 5 broken and as indicated by the dashed line, on an optical interface of the sensor element 5 , which is made of transparent plastic, focused.

Das so in das Sensorelement 5 eintretende Licht ist weitestgehend frei von Speckeln.So in the sensor element 5 entering 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 range of at least one electrically conductive thin film 11 , which is formed here of egg ner 50 nm thick gold layer arranged. On the electrically conductive thin film 11 is at least one measuring surface 13 present, are immobilized on the example, suitable for binding molecules or binding partners.

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 focusing is done so that the light within the sensor element 5 in the range of thin film 11 and measuring surfaces 13 with an angle of incidence above the limit angle for total reflection. It can thus be ensured that surface-plasmon resonance can be achieved in this surface 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 by this optical interface hits in divergent form on a second, again aspherical, convexly curved surface 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 in optional form also a beam expansion optics 14 shown with the enlarged image on an optical detector 10 and an adaptation to the respective usable for the detection surface of the optical detector 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, 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 deflection prism 9 and, in turn, adjacent 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 to an electronic evaluation unit 18 connected, in which an evaluation can be made. In the electronic evaluation unit 18 It is then also possible to standardize the intensity values with the aid of 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 opposite to the one at play after 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.The at the in 2 used example shown sensor element 5 is significantly larger area with an electrically conductive and here also the light-reflecting thin film 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 of the light source 1 becomes again via 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.Of the Light enters into a planar surface area of the sensor element. The light should be at a right angle if possible on the planar surface area be directed to the sensor element. This prevents reflection of light and the homogeneity of the injected 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 but also other angles of incidence of the light 12 These are then again the aspheric curvature of the surface 6 must 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 in the sensor element 5 reflected and focused at the same time. After a second reflection at the optical interface arranged below, the focused light strikes analogously as in the example 1 already described, on the optical interface (arranged here above) of the sensor element 5 to achieve surface plasmon resonance in the range 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 again on a lower optical interface and from there to a second at the light exit of the sensor element 5 arranged also aspheric, convex curved surface 7 directed the sensor element. From the surface 7 For example, the light is collimated out of the sensor element toward 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.This in collimated form from the sensor element 5 Reflected light can then come back through a beam-expanding optics 14 , Polarization beam splitter 8th , Deflection prism 9 , as TM and TE polarized light 15 and 16 on the optical detector 10 be directed.

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 optical detection arrangement uses a sensor element 5 as is the case with the example 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 of 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 aspheric, convex curved surface 6 directed. Before the light hits 12 However, in this example, this light penetrates a polarization filter in combination with a voltage-controlled switchable polarization rotator 17 , By appropriate circuit, by the electronic evaluation and control unit 18 takes place alternately TM and TE polarized light in the sensor element 5 and correspondingly polarized light then also hits the optical detector offset in time 10 on, so that in time with the optical detector 10 the intensities of TM and TE polarized light detected spatially resolved and in the electronic evaluation and control unit 18 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 shown in schematic form with microfluidic structural elements formed thereon.

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.At the sensor element 5 is a sample receiving room 20 trained, in which the sample, as already mentioned in the general part of the description, by means of a pipette or cannula but also via correspondingly suitable lines can be supplied. An area closes at this sample receiving space 21 at. In this area, solids contained in the respective liquid sample can be separated.

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 here are different areas 22 present, at which a sample modification can be achieved. For example, targeted binding with certain analyte-specific molecules can be initiated, and this also in the field 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.Such a sample preparation or sample modification is followed by a channel 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.

Hier nicht erkennbare elektrisch leitende Dünnschichten 11 sind zumindest unterhalb der Messflächen 13 ausgebildet.Unrecognizable electrically conductive thin films 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 of a sensor element 5 For example, the measurement light used to excite surface plasmon resonance becomes the aspheric, convexly curved surface 6 coupled and occurs on the also aspheric, 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 recognizable, are accordingly the measuring surfaces 13 parallel and the arrangement of the measuring surfaces 13 orthogonal to the beam direction, so also aligned with 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 Probe is therefore at right angles in the example shown here to the beam 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 an unillustrated form but there is also the possibility, the flow direction of the liquid sample parallel to the beam direction of the element through the sensor 5 guided light, it being particularly advantageous in this case, the liquid sample via a respective separate micro-channel to each one of the measuring surfaces 13 respectively. This can cause 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 cover part 19 , thereby forming the lower part of the sensor element 5 excluding an optical waveguide, on whose outer end faces turn the aspherical, convex curved surfaces 6 and 7 are formed.

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 here above 5 are electrically conductive thin films 11 and on these in turn measuring surfaces 13 spaced from each other and formed in a series 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 array of measuring surfaces 13 is by means of 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 , opposite to in 5 shown example of a sensor element 5 with lid 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 side sectional view it becomes clear that additionally at an angle obliquely inclined surfaces 26 each between adjacent measuring surfaces 13 are formed.

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.At these inclined surfaces 26 the light unused for the actual measurement of 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 inclined surfaces 26 can suppress diffraction effects and improved separation of signals from adjacent measurement surfaces 13 be achieved.

Bei einem entsprechenden Neigungswinkel der schräg geneigten Flächen 26 kann ein solcher optischer Detektor 29 unmittelbar unterhalb des Sensorelementes 5 angeordnet werden.At a corresponding inclination angle of the inclined surfaces 26 can 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 turn in an unrepresented form to an electronic evaluation and control unit 18 be connected and for the referencing / normalization of the measuring light, which in turn is preferably used in TM polarized form, are used.

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. Here are the strip-shaped 30 and 31 in each case the TM- and TE-polarized image of a measuring surface 13 for the respective angles of incidence of the incident light 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 dependent on the respective incident angle dependent detected relative intensities for a measuring surface 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 gives the curve 30 the incident angle dependent detected intensity of TM polarized light 15 and the curve 31 the detected incident angle dependent intensity values for TE polarized light 16 again.

Der Kurvenverlauf 32 ist eine durch Quotientenbildung ermittelte Normierung der Kurvenverläufe 30 und 31.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.For the detection of analytes, the respective angle of incidence, at which an intensity minimum has been determined, can be exploited. It can be a concentration determination for analytes by means of the respective mass occupation on measuring surfaces 13 by calculation from measured values 32 be performed.

Claims (25)

Anordnung zur optischen Detektion von in Proben enthaltenen chemischen, biochemischen Molekülen und/oder Partikeln, bei der Licht einer Lichtquelle (1) über mindestens ein bereichsweise als Lichtwellenleiter ausgebildetes Sensorelement (5) auf einen ortsaufgelöst messenden optischen Detektor (10) gerichtet ist, dabei auf einer Grenzfläche des Lichtwellenleiters mindestens eine elektrisch leitende Dünnschicht (11) ausgebildet ist, und das durch den Lichtwellenleiter geführte Licht auf die Grenzfläche im Bereich der Dünnschicht(en) (11) und/oder darüber ausgebildeten Messflächen (13) mit Winkeln im Bereich oberhalb des Totalreflexionswinkels auftrifft, dabei mehrere Dünnschichten (11) und/oder Messflächen (13) eine Reihenanordnung bilden und die Längsachse der gebildeten Reihe orthogonal zur optischen Achse ausgerichtet ist; außerdem 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 Messflächen (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 modifi ziertes Licht in kollimierter Form auf den mindestens 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 ( 1 ) via at least one sensor element which is designed in regions as an optical waveguide (US Pat. 5 ) to a spatially resolved optical detector ( 10 ) is directed, while at least one electrically conductive thin film on an interface of the optical waveguide ( 11 ) is formed, and the guided through the optical waveguide light on the interface in the region of the thin film (s) ( 11 ) and / or measuring surfaces formed above them ( 13 ) with angles in the range above the total reflection angle, thereby several thin layers ( 11 ) and / or measuring surfaces ( 13 ) form a series arrangement and the longitudinal axis of the formed row is aligned orthogonal to the optical axis; also on the sensor element ( 5 ) on an end face for the light entry an aspherical, convex curved optically active surface ( 6 ) is formed, with the light within the sensor element ( 5 ) in the direction of the at least one thin film ( 11 ) and / or measuring surfaces ( 13 Focused facing focused and a second aspherically convex curved optically active surface ( 7 ) is formed on the end face for the light exit, with the surface due to surface plasmon resonance modifi ed light in collimated form on the at least one optical detector ( 10 ). Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Lichtquelle (1) und fokussierender Oberfläche (6) eine optische Blende (4) angeordnet ist.Arrangement according to claim 1, characterized in that between light source ( 1 ) and focusing surface ( 6 ) an optical aperture ( 4 ) is arranged. 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 ). 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 ). 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 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 films ( 11 ) and / or measuring surfaces ( 13 ) are formed, aligned at an obliquely inclined surfaces ( 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 on the sensor element microfluidic structures ( 20 ) to ( 25 ) are designed for a capillary force related sample guide. 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 receiving area ( 20 ) and a receiving chamber ( 25 ) are formed. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Probenaufnahmebereich (20) und Messflächen (13) Strukturelemente (21) bis (23) für eine Probenvorbereitung bzw. Probenmodifizierung ausgebildet sind.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that between sample receiving area ( 20 ) and measuring surfaces ( 13 ) Structural elements ( 21 ) to ( 23 ) are designed 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) auf setzbaren Deckelteiles (19) ausgebildet sind.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the microfluidic structural elements ( 20 ) to ( 25 ) at the bottom of an optical waveguide of the sensor element ( 5 ) on settable cover part ( 19 ) are formed. 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 ' ) and from the light source ( 1 ) on a planar surface of the sensor element ( 5 ) directed towards the thin film (s) ( 11 ) and / or measuring surface (s) ( 13 ) is reflected in 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 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 separate parallel aligned microchannels to each of a measuring surface ( 13 ) is guided. 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 for sample preparation or sample modification a solids-separating region ( 21 ), a modification area ( 22 ) and / or a binding or Immo balancing area ( 23 ) is / are available. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 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 (n) surface (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 sample-containing chemical, biochemical molecules and / or particles, using a device according to any one of the preceding claims, characterized in that a spatially resolved detection of the on an 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 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Erfassung von TM-polarisiertem Licht durchgeführt wird.Method according to claim 20, characterized in that that detection of TM polarized light is performed. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine Normierung des TM-polarisierten Lichtes mit Referenzsignalen durchgeführt wird.Method according to claim 20 or 21, characterized that a normalization of the TM polarized light with reference signals carried out becomes. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass zur Normierung TE-polarisiertes Licht verwendet wird.Method according to one of claims 20 to 22, characterized that for standardization TE-polarized Light is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das TM- und TE-polarisierte Licht örtlich voneinander getrennt detektiert wird.Method according to one of claims 20 to 23, characterized that the TM and TE polarized Light locally is detected separately from each other. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das TM- und TE-polarisierte Licht zeitlich getrennt detektiert wird.Method according to one of claims 20 to 23, characterized that the TM and TE polarized Light is detected separately in time.
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