Die Erfindung bezieht sich auf einen chemischen und/oder biochemischen
optischen Sensor, eine Mehrfachanordnung einer Vielzahl von solchen Sensoren sowie
auf ein Verfahren für die optische Erfassung einer Substanz gemäss den
Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Viele gegenwärtige und bevorstehende Anwendungen von chemischen
und/oder biochemischen Mikrosystemen, insbesondere für Anwendungsbereiche etwa
in der Medizin, bei Nahrungsmitteln oder beim Umweltschutz, erfordern den Nachweis
von mehreren Analyten, welche gleichzeitig in einer Flüssigkeit vorhanden sind.
Eine wohlbekannte und vorteilhafte Art des Nachweises ist die optische. Eine wichtige
Kategorie von solchen optischen Sensoren sind integrierte optische Sensoren (IO),
welche einen Chip mit einem Wellenleiter und erfassenden Bioschichten aufweisen.
Ein Beispiel für diese Art einer Vorrichtung wird in WO 92/19976 offenbart.
Andere Patente sind in den vergangenen Jahren ebenfalls angemeldet worden und Arbeiten
sind durch verschiedene Gruppen weltweit veröffentlicht worden.
Bei IO chemischen und/oder biochemischen Sensoren werden verschiedene
Erfassungsprinzipien verwendet, Diese Prinzipien und Anordnungen ermöglichen
es, viele Sensorflächen oder Sensoren auf einem einzigen Chip anzuordnen, um
damit eine on-Chip Referenzerfassung und einen komplexen Analytnachweis zu realisieren.
In diesem Dokument steht der Begriff "Sensor" für "erfassende"
Elemente, welche für chemische und/oder biochemische Messungen verwendet werden
sowie für "Referenzerfassende" Elemente, welche für Referenzerfassungen
verwendet werden. Dies soll dazu dienen, Mehrdeutigkeiten zu vermeiden, weil es
viele Aspekte gibt, welche sich auf beide, nämlich auf erfassende und referenzerfassende
Sensoren beziehen, und es ist möglich, referenzerfassende Sensoren einfach
als eine besondere Art von Messsensoren zu betrachten, welche für die on-Chip
Referenzerfassung verwendet werden.
WO 97/29362 offenbart einen Sensor mit einem planaren Wellenleiter,
welcher auf der Oberfläche eines Substrates gebildet ist. Ein Oberflächengitter
ist in einer der Oberflächen des Wellenleiters gebildet. Ein Lichtstrahl fällt
auf das Gitter und der Einfallswinkel, bei welchem die maximale Reflexion erfolgt,
wird erfasst. Änderungen dieses Winkels liefern ein Anzeichen einer chemischen
Reaktion auf der Oberfläche des Wellenleiters. Diese Apparatur hat den Nachteil,
dass das Ausgangssignal durch parasitäre Reflexionen gestört wird, welche
an allen Schnittstellen zwischen den verschiedenen Medien vorkommen (Luft, Substrat,
Wellenleiter, Sensorschicht, Abdeckmedium). Aus diesem Grunde ist der Rauschabstand
gering.
Ein integriertes Spektrometer für die chemische Analyse wird
in US-5,082,629 offenbart. Das Spektrometer weist ebenfalls einen planaren Wellenleiter
auf der Oberfläche des Substrates auf. Der Wellenleiter hat ein Eingangsgitter
und ein Ausgangsgitter. Licht von einer Lichtquelle wird durch das Eingangsgitter
in den Wellenleiter eingekoppelt. Ein Analyt auf der Oberfläche des Wellenleiters
wirkt mit dem geführten Licht durch die Wirkung von abgeschwächter totaler
interner Reflexion zusammen. Daher enthält aus dem Wellenleiter durch das Ausgangsgitter
ausgekoppeltes Licht Informationen über die Absorptionscharakteristik des Analytes,
und diese Informationen werden durch den Photodetektor erfasst. Es ist nicht möglich,
das Spektrometer zu miniaturisieren, weil es zwei Gitter mit einer langen Strecke
dazwischen für die Zusammenwirkung erfordert.
Gemäss dem Stand der Technik ist es bekannt, IO Sensoren in einer
Matrixanordnung anzuordnen. Nur eindimensionale IO Sensormatrizen ermöglichen
jedoch unabhängige gleichzeitige ("parallele") Messungen. Komplexere, beispielsweise
zweidimensionale Sensormatrizen leiden schwerwiegend unter einem Übersprechen
zwischen den verschiedenen IO Kanälen, das heisst, es ist nicht möglich,
die optischen Signale auf eine annehmbare Art zu trennen.
Ein weiterer Nachteil von bekannten IO Sensoranordnungen ist es, dass
die Sensoren zuviel der Chipfläche benötigen, welches zu sehr grossen
Chips führt und auch zu einem unvorteilhaften Verhältnis zwischen der
aktiven und der passiven Fläche. (In diesem Dokument bedeutet der Begriff "aktive
Fläche" diejenige Fläche des Sensors, in welcher ein Zusammenwirken mit
dem Licht stattfindet.) Sie benötigen ebenfalls zuviel der (bio-) chemischen
Fläche, weil diese nicht effizient verwendet wird. Ein weiteres Problem mit
gegenwärtig bekannten Matrixdetektoren ist, dass die Effizienz der on-Chip
Referenzerfassung durch die grosse Distanz zwischen den erfassenden und den Referenz
erfassenden Sensoren beschränkt ist, dies ist der Fall, weil diese gross sind.
US5738825 offenbart einen optischen chemischen
Sensor, welcher eine Wellenleiter-Gitterstruktur aufweist, auf
welche Licht von einem Laser als Strahl auf dem Gitter auftrifft, wobei der Strahl
zu einer Fächerform fokussiert worden ist oder über mehrere Zellen verlängert
worden ist, und bei welchem das aus dieser Matrix oder aus einer anderen Matrix
ausgekoppelte Licht auf Detektoren einfällt. Das einfallende Licht wird in
den gleichen Fächerstrahlkonus zurückreflektiert, in welchem das Licht
zuerst eingefallen ist, sodass es nicht als Hintergrundgeräusch auf Detektoren
einfällt, welche so angeordnet sind, dass sie ausgekoppeltes Licht bei einem
Winkel erfassen, welcher grösser als der Einfallswinkel ist.
Es ist ein Ziel dieser Erfindung, eine Mehrfachanordnung von IO Sensoren
vorzusehen, welche unabhängige gleichzeitige ("parallele") Messungen mit den
Sensoren ermöglicht. Es ist ein weiteres Ziel, einen IO Sensor für die
Verwendung in einer solchen Mehrfachanordnung vorzusehen. Darüber hinaus ist
es ein weiteres Ziel, ein Verfahren für die integrierte optische Erfassung
einer chemischen und/oder biochemischen Substanz mittels eines solchen Sensors aufzuzeigen.
Die Erfindung ist ebenfalls darauf ausgerichtet, andere Nachteile
der Lösungen für IO Sensor Matrizen hoher Dichte gemäss dem Stand
der Technik zu eliminieren. Insbesondere ist es ein weiteres Ziel dieser Erfindung,
eine Mehrfachanordnung von IO Sensoren vorzusehen:
• mit einer effizienteren on-Chip Referenzerfassung,
• mit einer Miniaturisierung von Chip und System, das heisst, mehr Sensoren
pro Chipfläche (im Falle eines zweidimensionalen Sensors) oder pro Volumen
(im Falle eines dreidimensionalen Sensors),
• mit weniger erforderlichen Chemikalien für die Biobeschichtung
des Chips, und
• mit weniger benötigtem Analytvolumen für die Durchführung
der gleichen Aufgabe infolge der verringerten Chipfläche.
Um für die praktischen Anwendungen den vollen Nutzen zu erreichen,
sollen die folgenden Einschränkungen berücksichtigt werden:
• die Empfindlichkeit wird in Bezug auf die konventionellen Lösungen
entweder aufrechterhalten oder gesteigert, und
• der Dynamikbereich wird in Bezug auf die konventionellen Lösungen
entweder aufrechterhalten oder vergrössert.
Diese Ziele werden durch den IO Sensor, die Mehrfachanordnung von
IO Sensoren und das Verfahren erreicht, wie in den unabhängigen Ansprüchen
definiert.
Die Mehrfach-Ein-, Zwei- oder Dreidimensionalanordnung gemäss
der Erfindung weist eine Vielzahl von Sensoren auf, wie oben definiert.
Gemäss der Erfindung wird die Funktionalität der Messflächen
vergrössert. Die Geometrie der Messflächen wird an das Erfassungsprinzip,
an die Gesamtgeometrie des Chips und an die spezifische Anwendung angepasst. Die
Effizienz der Lichtsammlung (im Allgemeinen: "optische Transferverfahren") wird
verbessert. Die für die Durchführung der Erfassungsaufgabe erforderliche
Fläche wird verringert, insbesondere durch die Verringerung der von einer einzelnen
Messfläche innerhalb einer Matrix benötigten Fläche, sowie durch
die Vergrösserung des Verhältnisses zwischen aktiver und passiver Chipfläche.
Aus diesem Grunde resultiert eine viel höhere Sensordichte für
Ein-Chip IO Sensoranordnungen, welche zu mehreren Vorteilen führt, wie unten
beschrieben wird. Als Beispiel werden wir Vorteile für die on-Chip Referenzerfassung
betrachten, welche wegen der geringeren Distanz vereinfacht wird, und weil es möglich
ist, Mehrfach-Referenzerfassungssensoren pro Erfassungsfläche zu verwenden,
zum Beispiel einen oben und einen unten oder links und rechts oder verteilt, usw.
Dies ist besonders wichtig im Falle von Sensoren mit sehr hohen Empfindlichkeiten,
weil diese durch unspezifische Effekte beeinflusst werden, wie Temperatur- und Signaldrift
verursacht durch physische Fluktuationen und Chipdeformation.
Die Erfindung wird in der Folge in näheren Einzelheiten beschrieben
und mit dem Stand der Technik verglichen, dies mit Bezugnahme auf die beiliegenden
schematischen Zeichnungen.
1 illustriert einen IO Sensor mit einer zweidimensionalen
Matrix von Messflächen.
2 stellt den Einfluss von Störungen und dessen
Abhängigkeit von der Distanz und/oder der Grösse der Erfassungsflächen
dar.
3 illustriert Anwendungen von IO Sensoren für
die null-, ein-, zwei- und dreidimensionale Erfassung mit hoher
Dichte.
4 illustriert einen IO Sensor gemäss dem Stand
der Technik mit einem Paar von Chirp-Gittern.
Die 5 und 6
illustrieren eine erste und eine zweite Ausführungsform jeweils eines in der
Erfindung verwendeten IO Sensors.
7 stellt eine weitere Ausführungsform eines in
der Erfindung verwendeten IO Sensors dar.
Die 8 und 9
illustrieren zwei Ausführungsformen einer Mehrfachanordnung von in der Erfindung
verwendeten IO Sensoren.
10 stellt Mittel für die Variation des Einfallswinkels
dar.
11 illustriert eine weitere Ausführungsform einer
Mehrfachanordnung von in der Erfindung verwendeten IO Sensoren, sowie die Variation
über die Zeit der Eingangswellenlänge und der Ausgangssignale.
12 stellt verschiedene Ausführungsformen von in
der Erfindung verwendeten Resonanz-Wellenleitergitterstrukturen und deren räumlicher
Ausgangssignale dar.
13 illustriert eine weitere Ausführungsform einer
Mehrfachanordnung von in der Erfindung verwendeten IO Sensoren.
Die 1–3
dienen der Illustration des Beweggrundes für die Erfindung. 1
illustriert ein Beispiel einer zweidimensionalen Sensormatrix mit Erfassungsflächen
S und Referenzerfassungsflächen R. Diese sind auf eine solche Art und Weise
verteilt, dass die empfindlichsten Erfassungsflächen S an allen Seiten von
Referenzerfassungsflächen R umgeben sind. Dies stellt sicher, dass die on-Chip
Referenzerfassung ebenfalls wirksam ist, um die Gradienten von Störungen zu
eliminieren. Die Messflächen S, R sind als Rechtecke dargestellt, es ist indessen
sehr wohl möglich, dass sie eine andere geometrische Form aufweisen, wie etwa
Kreise, Dreiecke, usw.
Der Einfluss von Störungen, beispielsweise von Temperaturgradienten
und dessen Abhängigkeit von der Distanz und/oder Grösse der Erfassungsflächen
ist in den 2(a) und 2(b) dargestellt. Die
2(a) illustriert eine lineare (das heisst eindimensionale) Matrix
von Messflächen S0, R1, S1, R2, S2, ..., bei welcher eine Erfassungsfläche
S1 von zwei Referenzerfassungsflächen R1, R2 umgeben ist. Die 2(b)
stellt zwei verschiedene Temperaturverteilungen T(z) in Bezug auf eine Position
z dar. Die Positionen der Flächen R1, S1, R2 in 2(a) sind
jeweils z1, z2 und z3. Für die Kompensation einer unerwünschten Temperaturwirkung
sind die Referenzsignale der Flächen R1 und R2 linear interpoliert. Im Falle
eines linearen Gradienten ist die Kompensation eine perfekte; im Falle eines nicht-linearen
Gradienten hängt die Qualität der Kompensation vom Grad der Nicht-Linearität
der Störung ab. Die vorliegende Erfindung erreicht eine bedeutende Verbesserung
durch die Verringerung der Flächengrösse, welche den Grad der Nicht-Linearität
in einem lokalen Ausmass verringert, das heisst, im Bereich zwischen den Referenzerfassungsflächen.
Eine Verringerung der Grösse der Messflächen ist ebenfalls
für solche Anwendungen wichtig, wie dem in der 3(a) dargestellten
Spitzensensor. Ein derartiger Spitzensensor mit, beispielsweise einer Erfassungsfläche
S auf einer Federspitze ist tatsächlich ein zweidimensionaler IO Sensor. Es
ist wichtig, dass die Grösse der Spitze verringert wird, um dadurch eine hohe
räumliche Auflösung zu erreichen und/oder um den Sensor an Orten zu verwenden,
bei welchen nicht viel Platz vorhanden ist, zum Beispiel im menschlichen oder tierischen
Körper. Wenn ein hoher Grad an Grössenverringerung erreicht wird, ist
es möglich, auch kleine Matrizen von eindimensionalen oder zweidimensionalen
Anordnungen auf derartigen Spitzensensoren zu verwenden (beispielsweise eine Erfassungsfläche
umgeben von vier Referenzerfassungsflächen).
Sehr wichtige Anwendungen sind die eindimensionale und zweidimensionale
Erfassung mit hoher Dichte, wie dies jeweils in den 3(b) und
3(c), (d) illustriert wird. Die Vorteile der Erhöhung der
Flächendichte pro Längeneinheit (38b)) und pro Flächeneinheit
((3(c) und 3(d)) sind bereits oben dargelegt worden.
Unter Ausnützung einer weiteren Verringerung der Messflächengrösse
ist es möglich, auch die Flächendichte pro Volumen in dreidimensionalen
Anordnungen weiter zu vergrössern, ein Beispiel für dieses ist in der
3(e) dargestellt. Dies ist für die Erfassung von Gasen besonders
interessant.
Die 4 illustriert einen gemäss dem
Stand der Technik bekannten Sensor, welcher in den vergangenen Jahren für die
Durchführung von chemischen und biochemischen Messungen verwendet worden ist,
und welcher in den folgenden Veröffentlichungen offenbart worden ist:
• WO 92/19976;
• R. E. Kunz, "Totally Integrated Optical Measuring Sensors", Proc. SPIE,
Band 1587, 98–113 (1992);
• R. E. Kunz, "Miniature Integrated Optical Modules for Chemical and
Biochemical Sensing", Sensors and Actuators, Band 38–39 (1997).
Die 4(a) ist eine Ansicht von oben und die
4(b) ist eine Seitenansicht des Sensors.
Der Sensor von 4 weist einen planaren
optischen Wellenleiter WG auf, welcher zwischen einem Substrat S und einer Erfassungsschicht
SL mit einem Abdeckmedium C angeordnet ist. Aus Gründen der Einfachheit sind
jedoch nur eine Wellenleiterschicht und eine Erfassungsschicht dargestellt; es ist
jedoch möglich, dass die Wellenleiterschicht und/oder die Erfassungsschicht
aus einer Vielzahl von Schichten aufgebaut sind. Der Sensor verwendet ein Paar von
Chirp-Gitterkopplern 1.1, 1.2, nämlich einen Eingangsgitterkoppler
1.1 und einen Ausgangsgitterkoppler 1.2. In der Seitenansicht
von 4(b) sind Gitter auf beiden Oberflächen des Wellenleiters
WG dargestellt, für eine Fachperson auf diesem Gebiet ist es jedoch klar, dass
es möglich ist, eine Resonanz-Wellenleiter-Gitterstruktur auf andere Art und
Weise zu realisieren, zum Beispiel durch ein Gitter auf nur einer Seite des Wellenleiters
WG. Die wohlbekannte Resonanzbedingung für den Eingangskoppler zum Erreichen
einer maximalen Kopplungseffizienz ist gegeben durch
N = na sin &thgr;1 + mg &lgr;/&Lgr;,
wobei N der effektive Index ist, &thgr;1 der Einfallswinkel eines Eingangstrahles
gemessen in einem Umgebungsmedium mit einem Brechungsindex na und mg
die Brechungsordnung des Gitters. Eine Resonanzbedingung analog zur Gleichung (1)
gilt ebenfalls für den Ausgangskoppler. Licht wird typischerweise von einer
Lichtquelle 3 ausgestrahlt, eingekoppelt in der Form einer Welle in einer
einfallenden Ebene ui, 21, geführt als ein Modus
22 im Wellenleiter WG und sie wird ausgekoppelt als Welle in einer exzidenten
Ebene uo, 23, unter einem Winkel &thgr;0. Im Sensor
von 4 sind alle Parameter des Wellenleiters, wie etwa
die Dicke des Wellenleiters oder die Brechungsindizes räumlich einheitlich,
wohingegen die Gitterperioden &Lgr;(y) linear von der Seitenkoordinate y abhängen;
bei anderen Ausführungsformen ist es möglich, dass die Dicke des Wellenleiters
und/oder die Brechungsindizes von y abhängen. Der effektive Index N, unter
anderen Parametern, hängt ebenfalls vom Brechungsindex des Materials SL auf
der Wellenleiteroberfläche und folglicherweise von einem gemessenen M auf der
Oberfläche des Wellenleiters und daher folglicherweise vom Messwert M auf der
Oberfläche des Wellenleiters ab. Aus der Resonanzbedingung der Gleichung (1)
folgt, dass eine bei einer Änderung des Messwertes von M1 zu M2 die Modenposition
yb1 zu einer Position yb2 wechselt. Der geführte Modus 2 im Sensor
gemäss 4 wird daher als IO Lichtzeiger (IOLP)
bezeichnet. Die Modenposition yb1 wird von einem Detektor 4 erfasst, welcher
angeordnet ist, um das ausgekoppelte Licht 23 zu erfassen und welcher ein
Ausgangsignal 41 ausgibt. Es ist möglich, den Detektor beispielsweise
als eine ladungsgekoppelte Vorrichtungsmatrix (CCD) zu realisieren.
Der Sensor von 4 hat mehrere Nachteile.
Scheinbar ist sein Dynamikbereich proportional zu seiner Breite (in y Richtung).
Um daher einen hohen Dynamikbereich zu erhalten, müssen die Sensorbreite und
die Sensorfläche sehr gross sein, welches aus den oben dargelegten Gründen
unerwünscht ist. Als zweiter Nachteil wird die Qualität des Sensorsignals
41 durch Unvollkommenheiten im Wellenleiter WG, in der Erfassungsschicht
SL, im Substrat S, usw., durch Lichtstreuung verringert. Darüber hinaus ist
es nicht möglich, den Chirp des Gitters 1 und die Parameter des Wellenleiters
über die gesamte Breite des Sensors homogen zu machen, welches wiederum die
Empfindlichkeit des Sensors verringert.
Die 5 illustriert in einer Ansicht von
oben (5(a) und in einer Seitenansicht (5(b)) eine
erste Ausführungsform eines in der Erfindung verwendeten IO Sensors. Der Sensor
ist mit zwei Chirp-Gittern 1.1, 1.2ausgerüstet, wie in der
Anordnung von 4. Die Breite (in der y Richtung) des
Sensors ist indessen stark verringert im Vergleich mit jener der 4.
Die Grösse der gesamten Sensoreinheit (das heisst des Paares von Gitterflächen
1.1, 1.2) in der y – Richtung ist vorzugsweise kleiner
als fünfmal die Breite des geführten Modus 22 oder kleiner als
1 mm. Mit einer so kleinen seitlichen Dimension würde der Dynamikbereich eines
konventionellen Sensors gemäss 4 unannehmbar tief
sein. Um dieses Hindernis zu überwinden, klemmt oder stabilisiert der in der
Erfindung verwendete Sensor die seitliche Position yb des geführten Modus
22 fest, um diese mittels eines zusätzlichen Freiheitsgrades konstant
zu halten. Es ist möglich, dass der zusätzliche Freiheitsgrad, zum Beispiel
die Wellenlänge von Licht &lgr; ist; andere mögliche Freiheitsgrade
sind der Einfallswinkel &thgr;i oder die spektrale Lichtverteilung. Die Wirkung
der Änderung der Wellenlänge an der IOLP Position yb ist untersucht
und durch die folgenden Veröffentlichungen demonstriert worden:
• R. E. Kunz und J. Dübendorfer, "Miniature Integrated Optical Wavelength
Analyzer Chip", Optics Letters, Band 20, 2300.2303 (1995).
• M. Wiki, J. Dübendorfer und R. E. Kunz, "Spectral Beam Sampling
and Control by a Planar Optical Transducer", Sensors and Actuators A, Band 67/1–3,
120–124 (15. Mai 1998).
Es besteht eine Rückkopplung vom Detektor 4 zur Lichtquelle
3, wodurch ein geschlossener Regelkreis vorhanden ist. Dadurch werden die
mit Bezug auf die 4 diskutierten Nachteile eliminiert,
indem die Wellenlänge &lgr; der Lichtquelle 3 verändert wird,
damit die IOLP Position yb zu jeder Zeit festgehalten wird. Eine namhafte Verringerung
der Sensorgrösse wird erreicht, indem die Wirkung des Messwertes M kompensiert
wird. Der Dynamikbereich dieses Sensors wird nicht mehr durch die physische Grösse
der Erfassungseinheit bestimmt, sondern durch den Bereich &Dgr;&lgr;, innerhalb
von welchem es möglich ist, die Wellenlänge &lgr; zu variieren, sowie
durch den Chirp der Gitterkoppelung 1.1. Inhomogenitäten des Sensors
sind von geringer Bedeutung, weil die Sensorbreite und die Fläche extrem klein
sind.
Andere Bestandteile des Sensors werden in Einzelheiten mit Bezugnahme
auf 4 beschrieben, und sie erfordern keine weitere
Erläuterung. Typische Materialien und Parameter des Sensors sind die folgenden.
Das Substrat S wird beispielsweise hergestellt aus Polykarbonat (nS = 1.57), Glas,
zum Beispiel AF45 (nS = 1.52) oder Quarz (nS = 1.45) oder Silizium. Es ist ebenfalls
möglich, dass es aus mehreren Materialien besteht, beispielsweise aus einer
SiO2 Schicht auf Silizium. Der Wellenleiterfilm WG besteht aus, zum Beispiel TiO2
(nWG = 2.35), Si3N4 (nWG = 1.8–2) oder Ta2O5 (nWG = 2.20); eine Kombination
aus verschiedenen Schichten ist ebenfalls möglich. Typische Materialstärken
von Wellenleiterfilmen WG befinden sich im Bereich zwischen 100 nm und 300 nm, beispielsweise
150 nm. Die Erfassungsschicht SL besteht aus einer oder mehreren zu erfassenden
Substanzen. Wahlweise ist es möglich, dass sie eine oder mehrere Proteinschichten
enthält (nSL = 1.35–1.55), welche in der Lage sind, zu erfassende (bio-)
chemische Substanzen zu binden. Substanzen dieser Art werden dem Sensor typischerweise
in einer wässrigen Lösung zugeführt (nC = 1.33). Die Lichtquelle
3 ist typischerweise eine Schmalband-Lichtquelle, wie etwa ein Laser, der
eine Wellenlänge von beispielsweise 632.8 nm, 650 nm, 785.1 nm oder 980 nm
ausstrahlt. Typische Gitterperioden A befinden sich im Bereich zwischen 250 nm und
500 nm. Es ist möglich, einperiodische, mehrfachperiodische und/oder überlagerte
Gitter 1.1, 1.2 zu verwenden. Es ist ebenfalls möglich, dass
eine Vielzahl von Wellenlängen, Einkoppelungswinkel und/oder Polarisationen
gleichzeitig vorhanden sind. Es ist auch möglich, dass die Wellenlängen,
Einkoppelungswinkel und/oder Polarisationen getrennt sind oder dass sie eine Breitbandverteilung
aufweisen.
Es ist möglich, eine weitere Verringerung der Sensorabmessungen
mit dem in 6 (Ansicht von oben, 6(a),
Seitenansicht 6(b)) Sensor zu erreichen, welcher eine Weiterentwicklung
der Ausführungsform der 5 ist. In dieser Ausführungsform
sind die Sensorabmessungen ebenfalls in der z Richtung verringert, dies mittels
der Einführung noch eines weiteren Freiheitsgrades, beispielsweise durch die
Verwendung eines Eingitterkopplers 1, welcher in zwei (oder mehr) Beugungsordnungen
arbeitet. Es wäre möglich, noch einen weiteren Freiheitsgrad einzuführen,
indem das von der Gitterstruktur ausgestrahlte Streulicht (siehe 7)
gemessen wird. Im Beispiel der 6wird die Beugungsordnung
mg = 1 für die Einkoppelung verwendet und die Beugungsordnung mg = –2
für die Auskoppelung. Aus diesem Grunde stören die Beugungsordnungen mg
= 0 (reflektiert) und mg = 1, welche die Welle ur,, 24 bilden,
das Sensorsignal durch eine Verringerung des Rauschabstandes nicht. Es ist natürlich
auch möglich, für die Einkoppelung und Auskoppelung höhere Beugungsordnungen
|mg| > 2 zu verwenden.
Die 7 illustriert eine weitere Ausführungsform
eines in der Erfindung verwendeten IO Sensors. Anstelle der Messung und Steuerung
der z Position des resonant ausgekoppelten Lichts wird die Intensitätsverteilung
von im Bereich der Resonanz-Wellenleiter-Gitterstruktur 1 gestreuten Lichts
25 gemessen. Es ist möglich, eine solche Messung durch die Abbildung
von mindestens einem Teil der Resonanz-Wellenleiter-Gitterstruktur 1 auf
einen Lichtintensitätsdetektor 4, beispielsweise auf eine Photodiode,
mittels eines Abbildungssystems 6 durchzuführen. Alternativ wäre
es möglich, dass der Sensor auf das Abbildungssystem 6 verzichtet,
wenn der Lichtdetektor 4 nahe bei der Resonanz-Wellenleiter-Gitterstruktur
1 angebracht würde (siehe 11(a)). In einer anderen
Ausführungsform (nicht dargestellt) wäre es auch möglich, das gestreute
Licht 25 mittels einer optischen Fiber zu einem Detektor zu führen.
Die Lichtstreuung hat möglicherweise "natürliche" Ursachen, wie etwa Unvollkommenheiten
in der Resonanz-Wellenleiter-Gitterstruktur 1 oder "künstliche" Ursachen,
wie etwa eine Aufrauung der Wellenleiteroberfläche oder im Wellenleiter WG
implantierte Unvollkommenheiten.
Die Intensität des gestreuten Lichtes 25 ist ein Mass
für die Photonendichte im Bereich der Resonanz-Wellenleiter-Gitterstruktur
1, welche hoch ist, wenn ein resonantes elektromagnetisches Feld
22 durch das einfallende Licht 21 erregt wird,
und andernfalls tief. Durch die Messung der Intensität des gestreuten Lichtes
25 werden unerwünschte Beiträge der Beugungsordnungen mg = 0
(reflektiert) und mg = 1.24 zum gemessenen Signal 41 vermieden, wodurch
ein besserer Rauschabstand resultiert. Die Ausführungsform von 7
ist ein Beispiel einer resonanten Einkoppelung und einer nicht-resonanten Auskoppelung.
Es wäre möglich eine Rückkopplungsschlaufe (hier nicht dargestellt)
für die Steuerung eines Parameters des einfallenden Lichtes, beispielsweise
dessen Wellenlänge, anzubringen, wie in den 5
und 6 dargestellt.
8 illustriert eine Seitenansicht einer Ausführungsform
einer Vielfachanordnung von IO Sensoren gemäss der Erfindung. Eine Vielzahl
von IO Sensoren S1–S4 sind beispielsweise in einer Matrix in einer Oberflächenebene
10 auf einem transparenten Substrat S angeordnet. Die Einzelheiten der
Resonanz-Wellenleiter-Gitterstrukturen 1.1–1.4 sind möglicherweise
ähnlich wie jene in den 5–7
und werden in 8 nicht dargestellt. Alternativ ist es
möglich, Filterstrukturen zu verwenden, wie sie in D. Shin, S. Tibuleac, Th.
A. Maldonado und R. Magnusson, "Thin-film optical filters with diffractive elements
and waveguides", Opt. Eng. 37(9), 2634–2646 (September 1998) beschrieben
sind. Die IO Sensoren S1–S4 dieser Mehrfachanordnung werden durch resonante
Einkoppelung und nicht-resonante Auskoppelung betrieben, wie im Falle des in
7 dargestellten Sensors. Bevorzugterweise beleuchtet
ein einzelner Lichtstrahl 21 alle Sensoren S1–S4, alternativ ist
es auch möglich, eine Vielzahl von Lichtstrahlen zu verwenden. Der Einfallswinkel
wird vorzugsweise als der Brewster Winkel &thgr;B gewählt; dann wird, wenn
das einfallende Licht p polarisiert ist, unerwünschtes reflektiertes Licht
beinahe auf null verringert. Für einen typischen Sensor mit einem Substrat
S hergestellt aus Polykarbonat (nS = 1.571), einem TiO2 Wellenleiterfilm WG (nWG
= 2.350) mit einer Dicke von 150 nm, einer Proteinschicht (nSL = 1.45) als Erfassungsschicht
SL und einer Abdeckung C von Wasser (nC = 1.328) und der Wellenlänge des einfallenden
Lichtes als &lgr; = 785 nm, ist der Brewster Winkel &thgr;B = 57.5 Grad, Für
eine resonante Einkoppelung in die Beugungsordnung mg = 1, muss eine Gitterperiode
von &Lgr; = 306 nm vorhanden sein, dies gemäss der Gleichung (1).
Die Oberflächenebene 10, welche die Resonanz-Wellenleiter-Gitterstrukturen
1.1-1.4 enthält, wird auf eine Oberflächenebene
40 abgebildet, die eine Vielzahl von Lichtintensitätsdetektoren
4.1–4.4 aufweist, dies mittels eines Abbildungssystems
6. Analog zur 7 wird die Intensität des
Lichtes 25, welches im Bereich der Resonanz-Wellenleiter-Gitterstrukturen
1.1–1.4 gestreut wird, durch die Lichtdetektoren
4.1–4.4 gemessen. Bevorzugterweise ist jeder Detektor
4.1–4.4 eineindeutig einer bestimmten Resonanz-Wellenleiter-Gitterstruktur
1.1–1.4 zugeordnet. Bei einer Messung wird ein Parameter
des einfallenden Lichtes 21, vorzugsweise die Wellenlänge &lgr;1,
über die Zeit variiert, um dadurch resonante elektromagnetische Felder in den
Resonanz-Wellenleiter-Gitterstrukturen 1.1–1.4 zu erregen.
In analoger Weise ist es ebenfalls möglich, die Anordnung von
8 durch die Abbildung von resonant ausgekoppeltem Licht
in einer gewählten Beugungsordnung auf den Detektor zu betreiben.
Die 9 illustriert eine bevorzugte Ausführungsform
einer Mehrfachanordnung von IO Sensoren S1, S2, .... gemäss der Erfindung in
einer Ansicht von oben (9(a) und in einer Seitenansicht (9(b)).
Die Sensoren S1, S2, ... sind in einer zweidimensionalen Matrix auf einem Substrat
S angeordnet, beispielsweise in gleich beabstandeten Reihen und Kolonnen. Es ist
möglich, die Sensoren S1, S2, ... zum Erhalten eines Messsignals oder eines
Referenzsignals (siehe 1) zu verwenden, das heisst,
möglicherweise werden einige von diesen als R referenziert. Sie werden bevorzugterweise
von einem einzigen einfallenden Lichtstrahl 21 mit einer definierten Wellenlänge
&lgr;1 unter einem definierten Einfallswinkel &thgr;t beleuchtet. Alternativ
ist es möglich, dass das einfallende Licht einen grossen Bereich von Wellenlängen,
verschiedene Polarisationen und/oder einen grossen Bereich von Einfallswinkeln aufweist,
oder dass dieses eine Vielzahl von getrennten Wellenlängen und/oder Einfallswinkeln
aufweist.
Ein Parameter oder mehrere Parameter des einfallenden Lichtes, wie
etwa die Wellenlänge &lgr;1, der Einfallswinkel &thgr;1, die Polarisation
und/oder die Wellenfront wird während der Messung variiert. Falls die Resonanzbedingungen
erfüllt sind, erregt das einfallende Licht 21 ein resonantes elektromagnetisches
Feld in mindestens einer Resonanz-Wellenleiter-Gitterstruktur 1.1,
1.2, .... Als Mass für die Resonanz wird beispielsweise die Lichtverteilung
von resonant ausgekoppeltem Licht 23 für jede Resonanz-Wellenleiter-Gitterstruktur
1.1, 1.2 ... durch Positionsdetektoren 4.1,
4.2, ...., beispielsweise durch CCD Matrizen erfasst. Zu diesem Zweck ist
es möglich, ein Abbildungssystem zwischen den Resonanz-Wellenleiter-Gitterstrukturen
1.1, 1.2 ... und den Positionsdetektoren 4.1,
4.2, ... anzuordnen. Bevorzugterweise ist jeder Positionsdetektor
4.1, 4.2, ... eineindeutig einer bestimmten Resonanz-Wellenleiter-Gitterstruktur
1.1, 1.2, ... zugeordnet.
Anstelle des Abbildungssystems 6 ist es möglich, ein
zylindrisches fokussierendes optisches System (nicht dargestellt) zu verwenden,
wobei die Positionsdetektoren 4.1, 4.2, ... in der Brennpunktebene
(Fokalebene) 40 des zylindrischen optischen Systems liegen.
Das zylindrische optische System wirkt als Mittel für die Variation des Einfallswinkels
in eine Variation der Lichtposition auf den Detektoren 4.1, 4.2
...; mit anderen Worten, es führt eine optische Fourier-Transformation des
ausgekoppelten Lichtes durch.
In der 10 werden verschiedene Mittel
zur Variation des Einfallswinkels &thgr;1 dargestellt. Licht 21 wird von
einer Punktlichtquelle 3 ausgestrahlt, zum Beispiel von einem senkrechten
Kavitätsoberflächen-Emissionslaser (VCSEL), einem verteilten Rückkopplungslaser
(DFB) oder einem verteilten Braggschen Reflektorlaser (DBR), welcher in der Brennpunktebene
30 eines parallel richtenden optischen Systems 31 liegt. In der
Ausführungsform von 10(a) wird die Position des optischen
Systems 31 von einer ersten Position (ausgezogene Linien) zu einer zweiten
Position (gestrichelte Linien) variiert, wodurch der Einfallswinkel von &thgr;1
auf &thgr;2 variiert wird. In der Ausführungsform der 10(b)
wird die Position der Punktlichtquelle 3 variiert. Die Ausführungsform
von 10(c) erfordert keine sich bewegenden Teile. Anstelle davon
ist eine Vielzahl von Punktlichtquellen 3.1–3.5 in der
Brennpunktebene 30 eines parallel richtenden optischen Systems
31 vorgesehen. Eine weitere Möglichkeit der Variation ist die Verwendung
eines Spiegels 32, welcher in der Lage ist, um eine Rotationsachse zu rotieren,
wie dies in der 10(d) dargestellt ist. Es ist möglich, die
Variation des Einfallswinkels für das Erregen eines resonanten elektromagnetischen
Feldes in einer Resonanz-Wellenleiter-Gitterstruktur zu verwenden, ebenfalls jedoch
für die Kompensation von Chip Toleranzen und/oder um einen grösseren Dynamikbereich
zu erreichen.
Eine weitere Ausführungsform einer Mehrfachanordnung von IO Sensoren
S1, S2, ... gemäss der Erfindung wird in der 11(a) in einer
Seitenansicht dargestellt. Es ist möglicht, die Resonanz-Wellenleiter-Gitterstrukturen
1.1, 1.2, ... in einer zweidimensionalen Matrix auf einem ersten
Substrat S wie in 9 anzuordnen. Möglicherweise
werden dabei verschiedene Resonanz-Wellenleiter-Gitterstrukturen 1.1,
1.2, ... verwendet, wie dies mit Bezug auf die vorhergehenden Figuren diskutiert
worden ist. In dieser Ausführungsform sind die Einfallswinkel als nahe bei
null gewählt, das heisst, &thgr;i = 0; dies erleichtert die Beleuchtungs-
und Ablesekonfiguration. Andere Einfallswinkel, wie in den vorhergehenden Figuren
dargestellt, beispielsweise der Brewster Winkel (siehe 8),
sind ebenfalls möglich. Ein typischer Wellenleiter hat ein Substrat S aus Polykarbonat
(nS = 1.571), ein TiO2 Wellenleiterfilm (nWG = 2.350) mit einer Dicke von 150 nm,
eine Proteinschicht (nSL = 1.45) als eine Erfassungsschicht SL und eine Abdeckung
C aus Wasser (nC = 1.328), und die Wellenlänge des einfallenden Lichtes beträgt
785 nm. Aus der Gleichung 1 folgt, dass eine Gitterperiode von &Lgr; = 455 nm
für einen normalen Einfall (&thgr;i = 0) vorhanden sein muss.
In der Ausführungsform von 11(a) ist eine Matrix
von Lichtintensitätsdetektoren 4.1, 4.2 ..., beispielsweise
eine Matrix von Photodioden, auf einem zweiten Substrat D nahe bei den Resonanz-Wellenleiter-Gitterstrukturen
1.1, 1.2, ... positioniert. Die Lichtdetektoren 4.1,
4.2, ... messen, zum Beispiel, die Intensität des übermittelten
Lichtes (nicht dargestellt) für die entsprechenden Resonanz-Wellenleiter-Gitterstrukturen
1.1, 1.2, .... Im Vergleich mit den 7,
8 und 9 weist die Ausführungsform
von 11(a) die folgenden Unterschiede auf: das übermittelte
Licht wird anstelle des reflektierten Lichtes gemessen, und es wird direkt und ohne
ein Abbildungssystem erfasst. Der Spalt 8 zwischen dem ersten Substrat
S und dem zweiten Substrat D ist als Kanal für einen Analyten verwendbar, dessen
Fluss durch Pfeile 81.1, 81.2 symbolisiert wird.
Die resonanten elektromagnetischen Felder in den Resonanz-Wellenleiter-Gitterstrukturen
werden erregt, indem ein Parameter des einfallenden Lichtes, zum Beispiel, dessen
Wellenlänge &lgr; variiert wird. Die 11(b) illustriert eine
periodische Variation der Wellenlänge &lgr; und die 11(c)
stellt mögliche entsprechende Sensorausgangssignale s1, s2, ... über die
Zeit t dar. Minima oder Senken 91.1, 91.2, ... der Ausgangssignale
s1, s2, ... werden periodisch zu verschiedenen Zeiten erfasst, das heisst bei verschiedenen
Wellenlängen, wenn die Sensoren S1, S2, ... und/oder ihre Umgebungen nicht
genau identisch sind. Bei einer Änderung der Umgebungen, beispielsweise wenn
ein Analyt an den Sensoren S1, S2, .. vorbeizieht, ändern sich die Positionen
der Senken 91.1, 91.2, ..., welches durch Pfeile 92.2,
... symbolisiert wird. Aus derartigen Positionsänderungen 92.2, ...
der Senken 91.1, 91.2, ... werden Informationen über die
Zusammensetzung und/oder die Menge des Analyten erhalten. Es ist möglicherweise
nützlich, ein Referenzsignal s1 zu haben, dessen Senken 91.1 normalerweise
ihre Positionen nicht ändern.
Diese Anordnung ist besonders geeignet für die Messung von Änderungen
der Absorption des Beugungsindexes oder der Streueigenschaften oder irgendeiner
Kombination von diesen.
Die erreichbare Präzision (Empfindlichkeit, Auflösung) des
Erfassungsvorganges hängt kritisch von der richtigen Evaluation (beispielsweise
von der Bestimmung der Positionen der Senken in den Anordnungen gemäss
11 oder von entsprechenden Intensitätsspitzen
ab, welche typischerweise in den Anordnungen der 7,
8, 9 beobachtet werden,
die im Bereich der Reflexion arbeiten).
Zwei bevorzugte Ausführungsformen, welche eine hohe Präzision
der im Erfassungsvorgang abgeleiteten Resultate ergeben, sind die folgenden:
Verfahren 1: Direktes Erfassen der Intensitätssenken oder -spitzen
über die Zeit oder im Raum und die Verwendung eines Verfahrens für die
Anpassung von Modellkurven an die Daten für die Bestimmung der Senken-/Spitzenposition
auch in Gegenwart von Störungen (Rauschen). Im Falle der 11
wäre es möglich, die Wellenlänge genau wie in 11(b)
dargestellt zu variieren.
Verfahren 2: Modulierung der Parameter (der Wellenlänge im Beispiel
von 11) auf eine kompliziertere (nichtlineare) Art
und Weise, zum Beispiel durch Hinzufügen einer periodischen Modulation bei
einer Frequenz f zum in der 11(b) dargestellten Signal. Daraufhin
ist es möglich, Synchronisationstechniken anstelle der Erfassung von Senken
zu verwenden, und in vielen Fällen ist es möglich, eine grössere
Genauigkeit als mit anderen Verfahren zu erreichen. Die Phasensynchronisierte Modulation
des Detektorausgangssignals wird vorzugsweise bei der gleichen Frequenz f oder bei
einer höheren Frequenz (beispielsweise 2f) des modulierenden Signals durchgeführt.
Im Falle der Ausführungsformen der 5
und 6 wurden Chirp-Gitter als Resonanz-Wellenleiter-Gitterstrukturen
verwendet. Andere Resonanz-Wellenleiter-Gitterstrukturen sind für die Verwendung
bei dieser Erfindung möglich, wobei die einfachste von diesen ein homogenes
Gitter ist. Als eine Weiterentwicklung der Idee des Chirp-Gitters illustriert die
12 verschiedene Ausführungsformen von Resonanz-Wellenleiter-Gitterstrukturen
1.3–1.6 für einen IO Sensor gemäss der Erfindung
(die 12(a), (c), (e) und (g)) und deren elektromagnetischen Feldintensitäten
I gegen die y Koordinate (12(b), (d), (f) und (h)). Die Intensität
I(y) eines über ein Chirp-Gitter 1.3 resonant erregten elektromagnetischen
Feldes (12(a) zeigt eine scharfe Spitze 93 bei einer bestimmten
Position yb1 (12(b); siehe 5(a)). Um die genaue
Position der Spitze zu bestimmen, ist es möglich, das Intensitätssignal
der 12(b) einzupassen, (indem man, beispielsweise, ein Gausssches
Intensitätsverteilungsmodell verwendet). Die Spitze 93 bewegt sich
von ihrer ursprünglichen Position yb1 (ausgezogene Linie) gegen eine andere
Position yb2 (gestrichelte Linie), wenn ein Parameter des Wellenleiters oder des
einfallenden Lichtes, wie etwa die Wellenlänge, geändert wird. Wie mit
Bezug auf die 5 und 6
erläutert, ist es möglich, die Spitze 93 in einer bestimmten
y Position festzuklemmen oder zu stabilisieren, indem ein geschlossenes Steuersystem
verwendet wird. Das getrennte Gitter 1.4 der 12(c) wird
erhalten, indem man das Chirp-Gitter der 12(a) in eine Vielzahl
von Regionen 1.41–1.44 unterteilt, das heisst in Streifen
in y Richtung, und in jeder Region 1.41–1.44 ein homogenes
Gitter mit einer Gitterperiode zur Verfügung stellt, welche gleich einer durchschnittlichen
Gitterperiode der entsprechenden Region im Chirp-Gitter 1.3 ist. Für
diese getrennte Gitterstruktur 1.4 weist die Intensitätsverteilung
I(y) im Allgemeinen verschiedene Niveaus für die verschiedenen Regionen
1.41–1.44 auf; die Niveaus ändern sich mit variierenden
Lichtparametern oder Wellenleiterparametern (12(d)). Es ist möglich,
den Wert eines Messwertes zu evaluieren, indem man zwischen zwei Intensitätsverteilungen
von bekannten Messwerten M1, M2 interpoliert. Alternativ ist es ebenfalls möglich,
die Intensitätsniveaus festzuklemmen oder auf konstant zu stabilisieren, indem
man ein geschlossenes Regelsystem 5 verwendet. Für die Anwendung dieses
Prinzips gemäss der Erfindung müssen die getrennten Gitter nicht unmittelbar
nebeneinander sein, und ihre Gitterperioden müssen nicht monoton mit der y
Koordinate ansteigen, wie dies bei der Resonanz-Wellenleiter-Gitterstruktur
1.5 der 12(e) der Fall ist; eine mögliche entsprechende
Intensitätsverteilung I(y) ist in der 12(f) dargestellt. Die
Ausführungsform der 12(g) hat eine nicht-periodische Resonanz-Wellenleiter-Gitterstruktur
1.6. Sie weist eine im Allgemeinen unregelmässige Intensitätsverteilung
I(y) auf, wie in der 12(h) skizziert. Es scheint vielleicht unpraktisch,
sich mit solchen unregelmässigen Intensitätsverteilungen I(y) zu befassen;
es ist jedoch ganz einfach, die Verteilung I(y) festzuklemmen oder zu stabilisieren
indem man gemäss der Erfindung ein geschlossenes Regelsystem 5 verwendet,
dies wie im Falle der vorhergehenden Ausführungsformen. Die Ausführungsform
der 12(g) hat die Vorteile, dass die Unvollkommenheiten der Resonanz-Wellenleiter-Gitterstruktur
1.6 die Messungen nicht stört, und dass eine mathematische Anpassung
einer gemessenen Intensitätsverteilung I(y) nicht durchgeführt werden
muss.
Wiederum mit Bezugnahme auf die 12(c)–(h)
soll ein Verfahren für die Signalevaluation präsentiert werden. Unter
der Annahme, dass die Ausgangssignale s1 und s2 für bekannte Messwerte M1 und
M2 jeweils bekannt sind, ist es darauf möglich, einen Messwert M direkt aus
einem erfassten Ausgangssignal s zu evaluieren, dies unter Verwendung der Formel
M = s × (M1.s1 + M2.s2)/s ×(s1 + s2),
wobei
die Korrelationsoperation bezeichnet. Alternativ muss zum Festklemmen oder Stabilisieren
des Signal s (y, t) unter Verwendung, beispielsweise, von einer Rückkopplungsschlaufe
5, die Wellenlänge zu jedem Zeitpunkt so gewählt werden, dass
die Gleichung
s (y, t) × (s2 – s1) (y) = 0
für alle Positionen y und alle Zeiten t gültig ist.
Die Ausführungsform gemäss 13
dargestellt in einer Ansicht von oben (analog zur 9(a)) wendet
das Prinzip der 12(g) und (h) auf eine Mehrfachanordnung von IO
Sensoren an. Die Resonanz-Wellenleiter-Gitterstrukturen 1.1,
1.2, ... müssen nicht in Reihen oder Kolonnen sein. Die Gitterstrukturen
1.1, 1.2, ... selber müssen nicht periodisch sein. Die Resonanz-Wellenleiter-Gitterstruktur
1.3 ist ein Beispiel von zwei einander überlagerten Gittern.
Zusammengefasst resultieren die Vorteile der Erfindung aus der Möglichkeit
von unabhängigen gleichzeitigen ("parallelen") Messungen mit Sensoren. Darüber
hinaus bestehen auch die folgenden Vorteile, deren Wichtigkeit möglicherweise
von der eigentlichen Anwendung abhängig ist:
• Die erforderliche Grösse pro Messeinheit ist verringert.
• Die Chips beinhalten eine Matrix von hoher Dichte von einzelnen Messflächen,
welche die Möglichkeit haben, parallel (oder sequentiell durch Abtasten) abgelesen
zu werden. Dies ist für die Mehrkanal-Parallelerfassung wichtig, beispielsweise
im Falle von Anwendungen mit Bioerfassung.
• Nicht nur die Messflächen selber, sondern auch der gesamte Chip
weist eine hohe Funktionalität auf.
• Funktioniert für verschiedene IO Erfassungsprinzipien (zum Beispiel
Photometrie des Reflexionsgrades, Absorption, Streuung, geometrische Sensoren [Änderungen
der Schichtdicke]).
• Eine leichte Fabrikation von Sensor Chips zu tiefen Kosten ist möglich
– die gleiche Technologie ist anwendbar für eine grosse Vielfalt von
Anwendungen.
• Oftmals sind die Anforderungen an den Detektor (Fläche) ebenfalls
gelockert.
• Oftmals ist die Beleuchtung vereinfacht (weniger Fläche, die beleuchtet
werden muss).
Anspruch[de]
Ein optischer chemischer und/oder biochemischer Sensor, welcher
eine integrierte optische Resonanz-Wellenleitergitterstruktur (1,
1.1, 1.2, ...), welche eine Oberflächenebene (10)
definiert;
Mittel (3) für die Ausstrahlung von elektromagnetischer Strahlung
(21) gegen die Resonanz-Wellenleitergitterstruktur (1,
1.1, 1.2, ...),
wobei die gegenseitige Anordnung der Resonanz-Wellenleitergitterstruktur (1,
1.1, 1.2, ...) und der Mittel (3) für die Ausstrahlung
von elektromagnetischer Strahlung (21) dergestalt ist, dass die Einfallswinkel
(&thgr;i) in Bezug auf ein Einfallslot auf dieser Oberflächenebene (10)
grösser als –90 Grad und kleiner als +90 Grad sind; und
Erfassungsmittel (4, 4.1. 4.2, ...) für die Erfassung
der elektromagnetischen Strahlung (23, 25), welche aus der Resonanz-Wellenleitergitterstruktur
(1, 1.1, 1.2, ...) austritt,
wobei die gegenseitige Anordnung der Resonanz-Wellenleitergitterstruktur (1,
1.1, 1.2, ...) und des Erfassungsmittels (4,
4.1, 4.2, ...) dergestalt ist, dass die Winkel, unter welchen
die durch das Erfassungsmittel (4, 4.1, 4.2, ...) erfasste
elektromagnetische Strahlung austreten, in Bezug auf ein Einfallslot auf dieser
Oberflächenebene (10) grösser als –90 Grad und kleiner
als +90 Grad sind und dass sie unterschiedlich zu den Einfallswinkeln sind,
aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Mittel (3) für die Ausstrahlung von elektromagnetischer Strahlung
(21) Mittel (3, 31, 32) für die periodische
Variation der Wellenlänge (&lgr;) der ausgestrahlten elektromagnetischen
Strahlung (21) aufweisen.Ein Sensor gemäss Anspruch 1, wobei diese Mittel (3) für
die Ausstrahlung von elektromagnetischer Strahlung (21) eine abstimmbare
Schmalband-Lichtquelle aufweisen, wie etwa einen senkrechten Kavitätsoberflächen-Emissionslaser
(VCSEL), einen verteilten Rückkopplungslaser (DFB) und/oder einen verteilten
Braggschen Reflektorlaser (DBR).Ein Sensor gemäss Anspruch 1 oder 2, wobei diese Mittel (3)
für die Ausstrahlung von elektromagnetischer Strahlung (21) Mittel
für die Ausstrahlung einer Vielzahl von vorzugsweise getrennten Wellenlängen,
Einfallswinkeln und/oder Polarisationen aufweisen.Ein Sensor gemäss einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei diese
Resonanz-Wellenleitergitterstruktur (1, 1.1, 1.2, ...)
mindestens ein einperiodisches, mehrperiodisches und/oder Chirp-Gitter, und/oder
mehrere überlagerte Gitter aufweist.Ein Sensor gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei diese
Erfassungsmittel (4, 4.1, 4.2, ...) einen einzelnen Detektor
oder eine ein – oder zweidimensionale Matrix von Detektoren aufweisen, vorzugsweise
ladungsgekoppelte (CCD) Detektoren.Ein Sensor gemäss einem der Ansprüche 1 bis 5, welcher Mittel
für die Abbildung dieser Resonanz-Wellenleitergitterstruktur (1,
1.1, 1.2, ...) auf diesem Erfassungsmittel (4,
4.1, 4.2, ...) aufweist, oder Mittel für die Umwandlung einer
Variation des Winkels (&thgr;0), unter welchem die elektromagnetische Strahlung
austritt, in eine Variation der Lichtposition auf diesem Erfassungsmittel (4,
4.1, 4.2, ...) aufweist.Ein Sensor gemäss einem der Ansprüche 1 bis 6, welcher Mittel
(5) für das Vorsehen einer Rückkopplung von diesem Erfassungsmittel
(4) zum Mittel (3) für die Ausstrahlung einer elektromagnetischen
Strahlung (21) aufweist, wodurch ein gesteuertes System mit geschlossenem
Kreis hergestellt wird.Ein Sensor gemäss einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei diese
Resonanz-Wellenleitergitterstruktur (1., 1.1, 1.2, ...)
mit einer Erfassungsschicht (SL) überzogen ist, welche für eine chemische
Reaktion mit einer zu erfassenden Substanz geeignet ist.Eine mehrfach ein –, zwei – oder dreidimensionale Anordnung
einer Vielzahl von Sensoren (S1, S2, ...), wie in einem der Ansprüche 1 bis
8 definiert.Eine mehrfach ein –, zwei – oder dreidimensionale Anordnung
einer Vielzahl von Sensoren (S1, S2, ...) gemäss Anspruch 9, wobei die Resonanz-Wellenleitergitterstrukturen
(1., 1.1, 1.2, ...) in einer Ebene mit einer einzigen
Oberfläche (10) angeordnet sind.Eine Mehrfachanordnung von Sensoren (S1, S2, ...) gemäss Anspruch
9 oder 10, wobei mindestens ein Messsensor (S) vorgesehen ist, um eine chemische
und/oder biochemische Substanz zu erfassen, sowie mindestens ein Referenzsensor
(R) vorgesehen ist, um ein Referenzsignal abzuleiten.Eine Mehrfachanordnung von Sensoren (S1, S2, ...) gemäss Anspruch
13, wobei jeder Messsensor (S) sich unmittelbar neben mindesten zwei und vorzugsweise
neben vier Referenzsensoren (R) befindet.Ein Verfahren für die optische Erfassung einer chemischen und/oder
biochemischen Substanz, welches die Schritte
des Vorsehens einer integrierten optischen Resonanz-Wellenleitergitterstruktur (1.,
1.1, 1.2, ...), welche eine Oberflächenebene definiert;
des in Kontaktbringens der Substanz mit der Resonanz-Wellenleitergitterstruktur
(1., 1.1, 1.2, ...);
der Ausstrahlung von elektromagnetischer Strahlung (21) gegen die Resonanz-Wellenleitergitterstruktur
(1., 1.1, 1.2, ...), wobei die Einfallwinkel (&thgr;i)
in Bezug auf ein Einfallslot auf dieser Oberflächenebene (10) grösser
als –90 Grad und kleiner als +90 Grad sind;
des Erregens eines Resonanz erzeugenden elektromagnetischen Feldes (22)
in der Resonanz-Wellenleitergitterstruktur (1., 1.1,
1.2, ...) mittels der ausgestrahlten elektromagnetischen Strahlung (21);
der Verursachung einer Wechselwirkung der Substanz mit dem Resonanz erzeugenden
elektromagnetischen Feld (22); und
der Erfassung der elektromagnetischen Strahlung (23, 25) welche
aus der Resonanz-Wellenleitergitterstruktur (1., 1.1,
1.2, ...) austritt, der Winkel, unter welchen die erfasste elektromagnetische
Strahlung austritt, wobei diese Winkel in Bezug auf ein Einfallslot auf dieser Oberflächenebene
(10) grösser als –90 Grad und kleiner als +90 Grad sind und
sich von den Einfallswinkeln unterscheiden,
aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wellenlänge (&lgr;) der ausgestrahlten elektromagnetischen Strahlung
(21) periodisch variiert wird.Ein Verfahren gemäss Anspruch 13, wobei die ausgestrahlte elektromagnetische
Strahlung (21) sich innerhalb von einem oder von zwei
schmalen Spektralbändern befindet, oder eine Vielzahl von vorzugsweise getrennten
Wellenlängen, Einfallswinkeln und/oder Polarisationen aufweist.Ein Verfahren gemäss Anspruch 13 oder 14, wobei das Resonanz erzeugende
elektromagnetische Feld (22) erregt wird, indem eine erste Beugungsordnung
und die erregte elektromagnetische Strahlung (23) über eine zweite
unterschiedliche Beugungsordnung ausgekoppelt wird.Ein Verfahren gemäss einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei
die Position von mindestens einem Teil der austretenden elektromagnetischen Strahlung
(23) erfasst wird, oder wobei die Intensität von mindestens einem
Teil der austretenden elektromagnetischen Strahlung (25) erfasst wird.Ein Verfahren gemäss einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei
eine Variation des Winkels (&thgr;0), unter welchem die elektromagnetische Strahlung
austritt, in eine Variation einer Lichtposition umgewandelt wird, oder wobei diese
Resonanz-Wellenleitergitterstruktur (1., 1.1, 1.2, ...)
auf einer Abbildungsebene (40) abgebildet wird.Ein Verfahren gemäss einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei
mindestens ein Parameter der ausgestrahlten elektromagnetischen Strahlung (21)
durch mindestens einen Parameter (23, 25) der erfassten elektromagnetischen
Strahlung gesteuert wird.Ein Verfahren gemäss Anspruch 18, wobei die aus der Resonanz-Wellenleitergitterstruktur
austretende Strahlung (23, 25) stabilisiert wird, damit sie konstant
bleibt, indem mindestens ein Parameter der ausgestrahlten elektromagnetischen Strahlung
(21) gesteuert wird.Ein Verfahren gemäss einem der Ansprüche 13 bis 19, wobei
die mathematische Korrelation von mindestens zwei Signalen (s1, s2), welche zu verschiedenen
Zeitpunkten (t) und/oder an verschiedenen Standorten (y) erfasst werden, dazu verwendet
wird, um ein Ausgangssignal abzuleiten.