DE10055655C2 - Plasmonenresonanzsensor, insbesondere für die Biosensorik - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Plasmonenresonanzsensor, insbeson­ dere für die Biosensorik, mit einem lichtdurchlässigen Körper, insbesondere Glasprisma, einer auf eine Fläche des Körpers auf­ gebrachten reflektierenden Metallschicht oder Halbleiterschicht mit einer für nachzuweisende Moleküle sensitiven Oberfläche, die in Verbindung mit einer Küvette eine Meßzelle bildet, einer Lichtquelle zur Aussendung eines divergierenden Lichtbündels oder Strahlengangs durch den lichtdurchlässigen Körper auf die Innenfläche der Schicht und einem Detektor, der dem von der Schicht reflektierten ausfallenden Stahlengang zugeordnet ist und zeitabhängig den sich durch Molekülanlagerungen an die sen­ sitive Oberfläche ändernden Einfallswinkel des Lichts fest­ stellt, bei dem resonanzbedingt ein Intensitätsminimum an aus­ fallendem Licht auftritt.

Ein derartiger Plasmonenresonanzsensor mit einem Glasprisma und einer Goldschicht ist aus US 4 844 613 bekannt. Dort wird als Lichtquelle eine Laserdiode verwendet, die punktförmig mit ei­ nem Winkelbereich abstrahlt, der bereits alle für die Resonanz­ detektion in Betracht kommenden Einfallswinkel umfaßt.

Grundsätzlich wird zur Plasmonenresonanzbestimmung die Intensi­ tät des von der Goldschicht reflektierten Lichtes detektiert. Um die Resonanz zu finden, wird entweder bei festgehaltener Lichtwellenlänge der Einfallswinkel des Lichtes auf die Gold­ schicht durchgestimmt oder bei konstantem Einfallswinkel die Wellenlänge durchgestimmt. Die Oberflächenplasmonenresonanz er­ kennt man anhand einer verminderten Reflektivität bei einer be­ stimmten Kombination von Einfallswinkel und Wellenlänge des Lichtes. Über die Position der Resonanzbedingung kann der Bre­ chungsindex der auf der Goldschicht befindlichen Schicht, z. B. einer Probenflüssigkeit, bestimmt werden. Der Wechselwirkungs­ bereich betrachtet von der Goldschicht aus hinein in die zu be­ stimmende Schicht ist auf eine Dicke von etwa einer Lichtwel­ lenlänge beschränkt.

Um eine möglichst gute Auflösung zu erhalten, ist entweder mo­ nochromatisches Licht oder ein sehr genau definierter Einfalls­ winkel notwendig. Nach WO 96 02 823 ist die Verwendung einer monochromatischen Lichtquelle vorgesehen, wobei der Einfalls­ winkel mittels eines Drehspiegels durchgestimmt wird. Hierfür sind allerdings bewegliche Teile notwendig, was sich als nach­ teilig erweist. Dagegen wird gemäß EP 305 109 B1 der entspre­ chende Winkelbereich optisch durch einen Strahlenfächer er­ zeugt. In beiden Ausführungen ist der Ort der Reflektion auf der Goldschicht sehr genau lokalisiert. Das kann zu einer uner­ wünschten Erwärmung der Goldschicht führen, weil die Energie der erzeugten Plasmonen in der Goldschicht dissipiert. Der Bre­ chungsindex von Flüssigkeiten, dem am häufigsten zu vermessen­ den Medium in Biosensoren, hängt stark von der Temperatur ab, so daß es infolge der Erwärmung zu Verfälschungen der Messung kommen kann. Des weiteren führt die genaue Lokalisierung der Reflektion auf der Goldschicht bereits bei kleinsten Inhomoge­ nitäten der Goldschicht, beispielsweise den beim thermischen Aufdampfen von Goldschichten erzeugten kleinen Löchern (pinholes), zu Problemen hinsichtlich der Meßgenauigkeit.

Das Problem der Erwärmung der Goldschicht wird durch den ein­ gangs beschriebenen Plasmonenresonanzsensor umgangen. Infolge des divergierend einfallenden Lichts hat man keinen Fokus auf der Goldschicht, vielmehr werden die unterschiedlichen Ein­ fallswinkel jeweils an einer anderen Stelle der Goldschicht re­ flektiert. Dadurch wird einer Erwärmung der Goldschicht vorge­ beugt. Allerdings verschärft sich hier das Problem auf Grund von Inhomogenitäten in der Goldschicht, weil verschiedene Ein­ fallswinkel davon unterschiedlich beeinflußt sind. Weiterhin kann auch die physische Größe der als Lichtquelle eingesetzten Laserdioden hinderlich sein, weil es in modernen Geräten maß­ geblich auch auf eine Miniaturisierung und Paralellisierung von Meßkanälen ankommt. Schließlich ist es auch als nachteilig an­ zusehen, daß im Interesse einer guten Auflösung einer Punkt­ lichtquelle, namentlich eine Laserdiode, verwendet werden muß. Eine Leuchtdiode, die typischerweise eine Abstrahlfläche mit einem Durchmesser von 150 µm aufweist, ist wegen ihrer flächen­ haften Abstrahlung und auch wegen der polychromatischen Emis­ sion nicht einsetzbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den eingangs be­ schriebenen Plasmonenresonanzsensor so zu verbessern, daß unter Beibehaltung der einfachen Ausbildung und der weitgehenden Er­ wärmungsfreiheit der Goldschicht der Einfluß von Inhomogenitä­ ten der Metallschicht zurückgedrängt wird und dementsprechend exakte Meßergebnisse erzielt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Lichtquelle eine nicht punktförmige Abstrahlfläche mit einer Ausdehnung von mindestens 10 µm zugeordnet ist und daß im aus­ fallenden Strahlengang zwischen dem lichtdurchlässigen Körper und dem Detektor eine Kollimationslinse angeordnet ist.

Erfindungsgemäß wird also mit einer räumlich ausgedehnten Lichtquelle bzw. Abstrahlfläche gearbeitet. Dieses führt zu ei­ ner eigentlich unerwünschten deutlichen Verbreiterung des de­ tektierten Plasmons, weil die Winkelinformation auf Grund der räumlichen Ausdehnung der Lichtquelle, die als eine Mehrzahl räumlich benachbarter Punktlichtquellen angesehen werden kann, verschmiert wird. Dieses scheinbar nachteilige Ergebnis wird jedoch erfindungsgemäß durch die vorgesehene Kollimationsoptik wieder kompensiert.

Da die eingesetzte räumlich ausgedehnte Lichtquelle einer Mehr­ zahl von kegelförmig abstrahlenden Punktlichtquellen in enger Nachbarschaft entspricht, treffen Lichtstrahlen mit gleichem Einfallswinkel an verschiedenen Stellen bzw. über einen breiten Bereich auf die Goldschicht. Anders ausgedrückt sind an einem Ort der Goldschicht mehrere verschiedene Einfallswinkel vorzu­ finden. Die gleichen Einfallswinkel von verschiedenen Orten der Goldschicht werden nun durch die erfindungsgemäß vorgesehene Kollimationslinse wieder zum Detektor zusammengeführt und dann dort detektiert. Daraus ergibt sich der wesentliche Vorteil, daß bei der Messung der Plasmonenerzeugung über einen breiten Bereich der Goldschicht gemittelt wird und dementsprechend In­ homogenitäten der Goldschicht nicht mehr oder kaum noch ins Ge­ wicht fallen.

Zweckmäßigerweise ist die Abstrahlfläche im einen Brennpunkt und die angestrahlte Fläche des Detektors im anderen Brennpunkt der Kollimationslinse angeordnet. Bei einer solchen Ausbildung wird der vorerwähnte Verbreiterungseffekt durch die flächen­ hafte Abstrahlfläche vollständig kompensiert. Dabei ist hin­ sichtlich der Fokusposition der Abstrahlfläche zu beachten, daß der Strahlengang im Prisma gebrochen wird, so daß ggf. die Fokusposition korrigiert werden muß.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Ab­ strahlfläche vom dem lichtdurchlässigen Körper benachbarten Ende eines Lichtwellenleiters gebildet. Lichtwellenleiter bie­ ten die Möglichkeit, das Licht auf einfache Weise nahe an den Glaskörper heranzuführen, wobei die Lichtquelle selbst im Ab­ stand angeordnet werden kann, was bauliche Vorteile bringt und die bereits angesprochene Miniaturisierung begünstigt. Bisher waren Lichtwellenleiter nicht oder doch nur sehr bedingt ein­ setzbar, weil sie nicht die wegen der gewünschten Auflösung punktförmige Abstrahlfläche aufweisen. Es gibt zwar Lichtwel­ lenleiter mit sehr kleinen Kerndurchmessern, namentlich Single Mode Fasern mit einem Kerndurchmesser von 2 bis 9 µm, diese stellen aber keine echten Punktlichtquellen dar und sind insbe­ sondere schwierig in der Handhabung. Es werden aufwendige Ein­ koppeloptiken in Verbindung mit einer eigenen Lichtquelle für jeden einzelnen Lichtwellenleiter benötigt. Die technische Re­ alisierung ist daher schwierig und aufwendig. Gleiches gilt in entsprechender Weise auch für Multimodefasern mit einem Kern­ durchmesser von 50 bis 150 µm.

Daher werden für die Realisierung der Erfindung unter Verwen­ dung von Lichtwellenleitern solche mit Kerndurchmessern im Be­ reich von 300 bis 700 µm bevorzugt, weil die Erfindung deren Eisatz ermöglicht und entsprechend dicke Lichtwellenleiter deutlich einfacher in der Handhabung sind, insbesondere hin­ sichtlich der Lichteinkopplung. Beispielsweise kann das Licht einer einzigen Lichtquelle in mehrere solcher dicker Lichtwel­ lenleiter eingekoppelt werden. Hierzu wird das Licht zwar ge­ bündelt, so daß der Strahl alle Fasern beleuchtet, es wird aber nicht auf eine einzige Faser fokussiert, wie es für Single Mode Fasern notwendig ist. Im übrigen hat sich gezeigt, daß unabhän­ gig von der Verwendung von Lichtwellenleitern eine Abstrahlflä­ che mit einer Ausdehnung im vorgenannten Bereich von 300 bis 700 µm zu guten Meßergebnissen führt.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Plasmonenresonanzsensor mit am Prisma anliegender dicker Lichtleitfaser in Seitenansicht, wobei die von den beiden außenliegenden Punkten der Abstrahlfläche ausgehenden Lichtstrahlenbündel und der jeweils zugehö­ rige durch Plasmonenresonanz geschwächte Ausfallstrahl angedeutet sind;

Fig. 2 eine Fig. 1 entsprechende Darstellung unter Verwendung einer Laserdiode ohne Lichtwellenleiter und mit auf den Plasmonenresonanzbereich einstellbarem Detektor;

Fig. 3 eine Fig. 1 entsprechende Seitenansicht eines für meh­ rere parallele Meßzellen vorgesehenen Plasmonenreso­ nanzsensors mit einer zusätzlichen Zylinderlinse;

Fig. 4 eine in verändertem Maßstab dargestellte Draufsicht auf die Ausführungsform gemäß Fig. 3 unter Veranschauli­ chung des von einem außenliegenden und einem mittleren Lichtwellenleiter ausgehenden Strahlengangs in der Zeichnungsebene;

Fig. 5 das gemessene Detektorsignal, das von einem der gemäß Fig. 4 vorgesehenen acht Lichtwellenleitern ausgeht und

Fig. 6 eine grafische Darstellung der gemessenen Lichtintensi­ täten entsprechend Fig. 5.

Gemäß Fig. 1 ist ein im Querschnitt trapezförmiges Glasprisma 1 vorgesehen, auf das eine Goldschicht 2 beispielsweise durch Aufdampfen aufgebracht ist. Diese beispielsweise 50 nm dicke Goldschicht 2 trägt außenseitig eine sensitive Beschichtung, an der sich nachzuweisende Biomoleküle einer zu untersuchenden Probe anlagern können. Derartige sensitive Beschichtungen sowie ihr Regenerieren sind dem Fachmann geläufig.

An die Lichteinfallseite 3 des Glasprismas 1 ist ein Lichtwel­ lenleiter 4 mit einem dicken Kerndurchmesser von beispielsweise 500 µm mit einer entsprechend ausgedehnten - nicht punktförmi­ gen - Abstrahlfläche 5 angeschlossen. In das der Abstrahlfläche 5 entgegengesetzte Ende des Lichtwellenleiters 4 wird in nicht dargestellter Weise mittels einer Leuchtdiode oder einer ande­ ren Lichtquelle Licht eingespeist.

Von der Abstrahlfläche 5 geht ein Lichtstrahlenbündel 6 aus, das durch die beiden eingezeichneten Randstrahlenbündel 7 und 8 begrenzt ist. Das Lichtstrahlenbündel 6 wird durch die Gold­ schicht 2 reflektiert, tritt durch die Lichtausfallseite 9 des Glasprismas 1 aus und wird durch eine Kollimationslinse 10 auf einen Detektor 11 geleitet. Dieser ortsauflösende Detektor 11 ist von einem CCD-Sensor (CCD-Chip) gebildet und mit einem vor­ geschalteten Polarisator (p-Polarisation) versehen.

Die Kollimationslinse 10 und der Detektor 11 sind im Sinne ei­ ner konfokalen Anordnung plaziert, so daß die Abstrahlfläche 5 im einen und die Abbildungsfläche des Detektors 11 im anderen Brennpunkt der Kollimationslinse 10 angeordnet sind. Diese kon­ fokale Anordnung ist insbesondere aus der Darstellung in Fig. 4 ersichtlich, in der die Brennweiten f und f' der Kollima­ tionslinse eingetragen sind.

Der Strahlengang des Lichtstrahlenbündels 6 ist in Fig. 1 wie auch in den anderen Figuren unter Vernachlässigung der Strah­ lenbrechung am Übergang Glas/Luft dargestellt. Im übrigen ist für die beiden Randstrahlenbündel 7 und 8 jeweils der intensi­ tätsgeschwächte ausfallende Lichtstrahl 12 bzw. 13 dargestellt, der zu dem Einfallswinkel gehört, der durch die Plasmonenreso­ nanz beeinflußt wird. Dabei ist es für die Erfindung charakte­ ristisch, daß diese geschwächten Lichtstrahlen 12 und 13 ent­ sprechend der Ausdehnung der Abstrahlfläche 5 von verschiedenen Punkten 14 bzw. 15 der Goldschicht 2 ausgehen, durch die Wir­ kung der Kollimationslinse 10 jedoch auf der Detektorfläche zu­ sammengeführt werden, so daß ein präzises Meßsignal erhalten wird, das den betreffenden Einfallswinkel genau kennzeichnet. Somit werden im Ergebnis eine gute Winkelauflösung und trotzdem der Vorteil erzielt, daß der Bereich der Plasmonenerzeugung auf der Goldschicht 2 ausgedehnt ist, weil diese nicht in der Fo­ kusebene der Kollimationslinse 10 liegt. Hierdurch wird über einen Breitenbereich der Goldschicht gemittelt, so daß lokale Inhomogenitäten, die Einfluß auf die Oberflächenplasmonenreso­ nanz haben ausgemittelt werden.

Diese Verhältnisse gelten in entsprechender Weise auch dann, wenn mit einer weniger ausgedehnten Abstrahlfläche gearbeitet wird, die aber noch als flächig und nicht als punktförmig anzu­ sehen ist. So kann gemäß Fig. 2 dem Glasprisma 1 mit der Gold­ schicht 2 anstelle des Lichtwellenleiters 4 auch eine spezielle Laserdiode 16 zugeordnet sein, die mit einer Ausdehnung von mindestens 10 µm abstrahlt. Da in diesem Fall die Abstrahlflä­ che in der Zeichnung gemäß Fig. 2 trotz ihrer Flächigkeit punktförmig erscheint, lassen sich zeichnerisch keine unter­ schiedlichen Strahlenbündel mit gleichen Einfallswinkeln dar­ stellen.

Im übrigen ist in Fig. 2 ein vergleichsweise kleiner Detektor 17 dargestellt, der sich gemäß dem Doppelpfeil 18 verschieben und auf den Bereich der durch die Plasmonenresonanz geschwäch­ ten ausfallenden Lichtstrahlen einstellen läßt.

Die Ausführung gemäß Fig. 3 und 4 ist für die Anordnung von acht parallelen Meßzellen auf der Goldschicht 2 vorgesehen, wie der Fig. 4 mit den acht parallelen Lichtwellenleitern 4a bis 4h entnommen werden kann, die jeweils einer eigenen Meßzelle zugeordnet sind. Wegen der weitgehenden Ähnlichkeit mit der Ausführungsform gemäß Fig. 1 sind in Fig. 3 und 4 die glei­ chen Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet. Insoweit wird von einer erneuten Beschreibung abgesehen, was auch für den über­ einstimmenden Strahlengang gemäß Fig. 3 gilt.

Wie aus Fig. 4 zu ersehen ist das Glasprisma 1 langgestreckt und sind über seine Länge gleichmäßig verteilt die acht Licht­ wellenleiter 4a bis 4h angeordnet. Deren Abstrahlflächen sind in der Fokusebene mit dem Brennweitenabstand f angeordnet, wäh­ rend der Detektor 11 mit seiner Detektorfläche (Abbildungsfläche) in der anderen Fokusebene mit dem Brenn­ punktabstand f' angeordnet ist.

Für die Lichtwellenleiter 4d und 4h sind in Fig. 4 die Licht­ strahlenbündel 6d und 6h eingezeichnet, die in Richtung quer zur optischen Achse 19 bzw. der durch diese Achse verlaufenden Einfallsebene normal zur Goldschicht 2 bis zur Kollimations­ linse 10 divergieren und hier eine dem Abstand zwischen benach­ barten Lichtwellenleitern 4a bis 4h annähernd entsprechende Breite haben, um dann in Form eines parallelen Strahlenbündels 20d bzw. 20h abgelenkt zu werden. Durch eine vor dem Detektor 11 im Strahlengang angeordnete Zylinderlinse 21 werden sämtli­ che Strahlenbündel 20 senkrecht zur optischen Achse 19 bzw. der Einfallsebene auf den Detektor 11 fokussiert. Dadurch werden die einzelnen Strahlenbündel 6 bzw. 20 in Form von zueinander parallelen Lichtstreifen auf dem Detektor 11 abgebildet.

Fig. 5 zeigt - in von Fig. 4 abweichender horizontaler Aus­ richtung - einen solchen Lichtstreifen 22 als gemessenes Detek­ torsignal einer der acht Lichtquellen bzw. Lichtwellenleiter 4a bis 4h. Deutlich zu erkennen ist innerhalb dieses Lichtstrei­ fens 22 die Stelle 23 verminderter Lichtintensität, an der das Lichtsignal infolge der Plasmonenresonanz geschwächt (schwarz gefärbt) ist.

Die zugehörige Intensitätsmessung ist in Fig. 6 grafisch wie­ dergegeben, in der die Intensität des auf den Detektor 11 fallenden Lichts über dem der Länge des Lichtstreifens 22 ent­ sprechenden Meßbereich aufgetragen ist. Dieser Längenbereich ist von 0 bis 750 Einheiten skaliert, wobei die verschiedenen Werte bestimmten Einfallswinkeln entsprechen. Wie die Grafik zeigt, ergibt sich in einem Bereich von etwa 100 Einheiten eine Verminderung der ansonsten gleichbleibend gemessenen Intensität von reichlich 110 Einheiten mit einem deutlichen Intensitätsmi­ nimum beim Einfallswinkel entsprechend 480 Einheiten, wo die Normalintensität bedingt durch die Plasmonenresonanz um etwa 90% herabgesetzt ist.

Claims (12)

1. Plasmonenresonanzsensor, insbesondere für die Biosensorik mit einem lichtdurchlässigen Körper (1), insbesondere Glas­ prisma, einer auf eine Fläche des Körpers (1) aufgebrachten reflektierenden Metallschicht (2) oder Halbleiterschicht mit einer für nachzuweisende Moleküle sensitiven Oberflä­ che, die in Verbindung mit einer Küvette eine Meßzelle bil­ det, einer Lichtquelle zur Aussendung eines divergierenden Lichtbündels oder Strahlengangs (6) durch den lichtdurch­ lässigen Körper (1) auf die Innenfläche der Schicht (2) und einem Detektor (11, 17), der dem von der Schicht (2) re­ flektierten ausfallenden Strahlengang zugeordnet ist und zeitabhängig den sich durch Molekülanlagerungen an die sen­ sitive Oberfläche (6) ändernden Einfallswinkel des Lichts feststellt, bei dem resonanzbedingt ein Intensitätsminimum an ausfallendem Licht auftritt, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtquelle eine nicht punktförmige Abstrahlfläche (5) mit einer Ausdehnung von mindestens 10 µm zugeordnet ist und daß im ausfallenden Strahlengang zwischen dem licht­ durchlässigen Körper (1) und dem Detektor (11, 17) eine Kollimationslinse (10) angeordnet ist.

2. Plasmonenresonanzsensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abstrahlfläche (5) im einen Brennpunkt (Abstand f) und die angestrahlte Fläche des Detektors (11, 17) im anderen Brennpunkt (Abstand f') der Kollimations­ linse (10) angeordnet ist.

3. Plasmonenresonanzsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstrahlfläche (5) eine Ausdehnung zwischen 300 und 700 µm aufweist.

4. Plasmonenresonanzsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstrahlfläche (5) vom dem lichtdurchlässigen Körper (1) benachbarten Ende eines Lichtwellenleiters (4) gebildet ist.

5. Plasmonenresonanzsensor nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Leuchtdiode zur Einspeisung des Lichts in den Lichtwellenleiter (4) vorgesehen ist.

6. Plasmonenresonanzsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle eine Laserdiode (16) vorgesehen ist.

7. Plasmonenresonanzsensor nach einem der Ansprüch 1 bis 6 mit zwei oder mehr dem lichtdurchlässigen Körper (1) zugeordne­ ten Meßzellen, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Meß­ zelle eine eigene Abstrahlfläche (5) vorgesehen ist.

8. Plasmonenresonanzsensor nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeder Meßzelle ein eigener Lichtwellenleiter (4a bis 4h) mit seiner Abstrahlfläche (5) zugeordnet ist.

9. Plasmonenresonanzsensor nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehreren Lichtwellenleitern (4a bis 4h) eine gemeinsame Lichtquelle zugeordnet ist.

10. Plasmonenresonanzsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, insbesondere der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im ausfallenden Strahlengang vor dem Detektor (11) zu­ sätzlich eine Zylinderlinse (21) angeordnet ist, die den Strahlengang senkrecht zur Einfallsebene auf den Detektor (11) fokussiert.

11. Plasmonenresonanzsensor nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zylinderlinse (21) zwischen der Kollima­ tionslinse (10) und dem Detektor (11) angeordnet ist.

12. Plasmonenresonanzsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein ortsauflösender Detektor, insbesondere in Form eines CCD-Sensors, vorgesehen ist.