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 = n_a sin &thgr;₁ + m_g &lgr;/&Lgr;, wobei N der effektive Index ist, &thgr;₁ der Einfallswinkel eines Eingangstrahles gemessen in einem Umgebungsmedium mit einem Brechungsindex n_a und m_g 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 u_i, 21, geführt als ein Modus 22 im Wellenleiter WG und sie wird ausgekoppelt als Welle in einer exzidenten Ebene u_o, 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 u_r,, 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 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).