DE102021100321B4

DE102021100321B4 - SPR-Sensoreinheit und Verfahren zur Bestimmung des Brechungsindex eines Proben-mediums sowie Messeinrichtung zur Erfassung der Dichte eines Messmediums

Info

Publication number: DE102021100321B4
Application number: DE102021100321.0A
Authority: DE
Inventors: Ralf-Dieter Prien
Original assignee: Leibniz Inst Fuer Ostseeforschung; Leibniz Institut Fuer Ostseeforschung
Current assignee: Leibniz Inst Fuer Ostseeforschung; Leibniz Institut Fuer Ostseeforschung
Priority date: 2021-01-11
Filing date: 2021-01-11
Publication date: 2024-02-29
Anticipated expiration: 2041-01-12
Also published as: DE102021100321A1

Abstract

SPR(=Surface Plasmon Resonance)-Sensoreinheit (1), mit einer Strahlungseinheit (2) zur Emission einer Strahlung, mit wenigstens einem Optikelement (6), durch das die von der Strahlungseinheit (2) emittierte Strahlung unter einem Einstrahlwinkel auf eine Grenzfläche (10) gelenkt wird, und mit einer Detektoreinheit (11), die eingerichtet ist, um die von der Grenzfläche (10) reflektierte Strahlung zu empfangen und in Abhängigkeit einer Intensität der reflektierten Strahlung ein Detektorsignal zu erzeugen und an einer Schnittstelle (16) zur Anbindung einer Auswerteeinheit (17)bereitzustellen, wobei sich an der Grenzfläche (10) zumindest in einem Messbereich das Optikelement (6) und eine Metallschicht (7) berühren und das Optikelement (6) zumindest im Messbereich ein erstes Medium mit einem ersten Brechungsindex (n1) und die Metallschicht (7) einen zweiten Brechungsindex (ng) aufweist und auf der dem Optikelement (6) abgewandten Seite unmittelbar oder mittelbar an einen zur Aufnahme eines Probenmediums (9) vorgesehenen Probenraum (8) angrenzt, wobei die Strahlungseinheit (1) eingerichtet ist, um zu verschiedenen Zeitpunkten oder während verschiedener Zeitspannen Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge oder in einem unterschiedlichen Wellenlängenbereich zu emittieren und die Detektoreinheit (11) derart angeordnet und ausgeführt ist, dass das Detektorsignal eine Information über einen Ausfallwinkel (ΘSPR) enthält, unter dem ein Teil der reflektierten Strahlung von der Grenzfläche (10) abgestrahlt wird, dessen Strahlungsintensität ein lokales Minimum im Vergleich zum übrigen Teil der reflektierten Strahlung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (17) eingerichtet ist, um während eine Strahlung mit einer Wellenlänge oder in einem Wellenlängenbereich von der Strahlungseinheit (2) emittiert und von dem Optikelement (6) auf die Grenzfläche (10) gelenkt wird, sodass die von der Detektoreinheit (11) empfangene reflektierte Strahlung kein durch ein Oberflächenplasmon verursachtes lokales Minimum der Strahlungsintensität aufweist, auf der Grundlage des von der Detektoreinheit (11) bei Empfang von reflektierter Strahlung, die kein durch ein Oberflächenplasmon verursachtes lokales Minimum der Intensität der Strahlung aufweist, erzeugten Detektorsignals, eine Referenzkurve zu erzeugen und ein lokales Minimum oder lokale Minima der Referenzkurve bei der Ermittlung eines durch ein Oberflächenplasmon verursachten lokalen Minimums der Intensität der reflektierten Strahlung zu berücksichtigen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinheit, ein Verfahren und eine Messeinrichtung zur Durchführung von Messungen unter Ausnutzung von Oberflächenplasmonen. Da für die Oberflächenplasmonresonanzspektroskopie oftmals die englische Bezeichnung Surface Plasmon Resonance Spectroscopy verwendet wird, wird im Folgenden der Ausdruck SPR-Sensoreinheit verwendet.
Die beschriebene SPR-Sensoreinheit, das Verfahren sowie die Messeinrichtung verfügen über eine Strahlungseinheit zur Emission einer Strahlung und über wenigstens ein Optikelement, durch das die von der Strahlungseinheit emittierte Strahlung unter wenigstens einem Einfallwinkel auf eine Grenzfläche lenkbar ist. An der Grenzfläche berühren sich zumindest in einem Messbereich das Optikelement und eine Metallschicht, wobei das Optikelement zumindest im Messbereich ein erstes Medium mit einem ersten Brechungsindex und die Metallschicht einen zweiten Brechungsindex aufweist. Auf der dem Optikelement abgewandten Seite der Metallschicht befindet sich ein zur Aufnahme eines Probenmediums geeigneter Probenraum, sodass das zu untersuchte Probenmedium mittelbar oder unmittelbar an der Grenzfläche anliegt. Darüber hinaus ist ein Detektor vorgesehen, der eingerichtet ist, um die von der Grenzfläche reflektierte Strahlung zu empfangen und in Abhängigkeit der Intensität und des Winkels der reflektierten Strahlung ein Detektorsignal zu erzeugen, das an einer Schnittstelle, die für die Anbindung einer Auswerteeinheit geeignet ist, bereitgestellt wird.
Bei einem Oberflächenplasmon handelt es sich um Oberflächenwellen bzw. evaneszente Wellen, bei denen die longitudinalen elektrischen Schwingungen parallel zur Oberfläche eines Metalls angeregt werden. Dieser physikalische Effekt wird bei der Oberflächenplasmonresonanzspektroskopie (Surface Plasmon Resonance Spectroscopy) genutzt, um den Brechungsindex eines Probenmediums zu bestimmen, indem Licht unter einem Einfallwinkel auf eine zwischen einem ersten Medium und einer dünnen Metallschicht angeordnete Grenzfläche gelenkt, an der Grenzfläche reflektierte Strahlung von einem Detektor empfangen und unter Zugrundelegung eines lokalen Minimums der vom Detektor empfangenen reflektierten Strahlung, insbesondere eines Ausfallswinkels des Teils der reflektierten Strahlung, dessen Strahlungsintensität minimal ist, der Brechungsindex berechnet wird. Hierbei lässt sich bei konstanten Brechungsindices des ersten Mediums und der Metallschicht unter Zugrundelegung des Ausfallwinkels, bei dem das Spektrum der Strahlungsintensität der reflektierten Strahlung ein lokales Minimum aufweist, der Brechungsindex des Probenmediums, das auf der der Strahlenquelle gegenüberliegenden Seite der Grenzfläche angeordnet ist, berechnen.
In diesem Zusammmenhang sind SPR-Sensoreinheiten bekannt, die das Phänomen der Oberflächenplasmonresonanz messtechnisch nutzen und mit denen Stoffe bereits bei sehr geringer Konzentration detektiert werden können. Derartige Sensoren werden aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit beispielsweise zum Nachweis von Gasen, die nur in geringer Konzentration im Probenmedium vorhanden sind und auch in anderen technischen Bereichen, etwa bei der Wasseranalyse oder zur Bestimmung von Biomolekülen im Bereich der Labordiagnostik eingesetzt. Insbesondere auf diesem technischen Gebiet ist es bekannt, die Metallschicht mit spezifischen Messmolekülen zu versehen, an die sich bestimmte im Probenmedium befindliche Zielmoleküle binden. Dies führt zu einer Dichteänderung und somit einer Änderung des Brechungsindex in dem an die Metallschicht angrenzenden Bereich, die aufgrund einer Verschiebung des lokalen Minimums des Spektrums der Strahlungsintensität der reflektierten Strahlung detektierbar ist.
Eine gattungsgemäße Messeinrichtung ist aus der EP 0 257 955 A2 bekannt. Von der Strahlenquelle wird polychromatisches Licht über eine Vielfachprismenstruktur in eine transparente Platte eingekoppelt und dort mit einem Einfallswinkel, welcher größer als der kritische Winkel ist, zur Totalreflexion gebracht. Bei geeigneter Einstellung bildet sich an der Grenzfläche ein Oberflächenplasmon aus, das ein Minimum der Strahlungsintensität der reflektierten Strahlung verursacht, die detektiert wird. Auf diese Weise wird die Wellenlänge bestimmt, bei der die Strahlungsintensität der reflektierten Strahlung ein Minimum annimmt. Bei einer Veränderung der optischen Eigenschaften des Probenmediums an der Grenzfläche kommt es zu einer Verschiebung des Reflexionsminimums, aus der wiederum Eigenschaften des Probemediums ableitbar sind.
Eine weitere gattungsgemäße Messvorrichtung mit SPR-Sensoreinheit ist aus der US 2012/0133943 A1 bekannt. Die Messvorrichtung umfasst ein strahlformendes optisches System, das eine chromatische Aberration bei zwei oder mehr Wellenlängen aufweist. Eine Strahlungsquelle emittiert jeweils Licht mit zwei oder mehr Wellenlängen, wobei das Licht jeder Wellenlänge aus einem unterschiedlichen Abstand von dem strahlformenden optischen System ausgeht. Die unterschiedlichen Abstände werden so gewählt, dass nachteilige Auswirkungen der chromatischen Aberration auf die Bildung eines Brennpunkts auf dem SPR-Biosensorchip verringert oder beseitigt werden.
Ferner beschreibt die US 2013/0115715 A1 ein Verfahren zur Bestimmung der Menge einer in einer Probe enthaltenen Spezies, die an eine optische Sensoroberfläche bindet. Die beschriebene Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens eine vom Brechungsindex und eine vom Absorptionsvermögen der untersuchten Probe abhängende Messgröße bestimmt wird und hieraus Informationen in Bezug auf die Konzentration der Spezies in der Probe abgeleitet werden.
Üblicherweise kann das von einer SPR-Sensoreinheit aufgenommene Spektrum der Strahlungsintensität nicht unmittelbar zur Auswertung herangezogen werden. Vielmehr muss eine Normierung mit Hilfe von Luft als Probenmedium erfolgen, da auch die mittels Strahlenquelle erzeugte und mit wenigstens einem Optikelement umgeformte oder umgelenkte Strahlung Intensitätsminima aufweist. Durch die Normierung des gemessenen Spektrums einer Strahlungsintensität mit einer Referenzkurve, die auf einer Messung mit Luft beruht, sind die lokalen Minima, die durch ein Oberflächenplasmon bei Vermessung des Probenmediums verursacht werden, deutlich stärker ausgeprägt und die Bestimmung der Lage des Minimums daher einfacher. Sofern die Metallschicht bei der Messung allerdings nicht in direktem Kontakt mit der Luft steht, beispielsweise weil diese mit einer Beschichtung oder einer Schicht, in die Messmoleküle eingebracht sind, versehen ist, kann eine Normierung der Messsignale durch eine Referenzmessung mit Luft nicht erfolgen. In diesem Fall werden unterschiedliche technische Lösungen umgesetzt, um eine Referenzkurve für die Normierung der Messignale zu erhalten. Bekannte Lösungen sehen entweder mechanische Stellelemente vor, die zeitweise eine Polarisierung der von der Strahlenquelle emittierten Strahlung um 90° bewirken, sodass sich kein Oberflächenplasmon ausbildet, oder es wird mit Hilfe mathematischer Näherungsberechnungen eine Referenzkurve ermittelt. Problematisch an den Lösungen ist, dass entweder zusätzlicher apparativer Aufwand erforderlich ist oder lediglich eine Referenzkurve mit eingeschränkter Genauigkeit bereitgestellt wird.
Ausgehend von den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen sowie den zuvor geschilderten Problemen liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine SPR-Sensoreinheit sowie ein Verfahren zur Bestimmung des Brechungsindex eines Probenmediums unter Ausnutzung eines sich ausbildenden Oberflächenplasmons derart weiterzubilden, dass eine zuverlässige und präzise Messung auch dann möglich ist, wenn eine Normierung der erzeugten Messsignale auf der Grundlage einer Referenzmessung mit Luft als Probenmedium nicht möglich ist, beispielsweise weil die Metallschicht auf der Seite eines Probenraumes nicht direkt von dem Probenmedium kontaktiert wird. Die anzugebende technische Lösung sollte auf vergleichsweise einfache Weise die Bereitstellung einer Referenzmessung ermöglichen, wobei insbesondere zusätzliche Verstellelemente, die die Strahllenkung und/oder -formung beeinflussen nicht erforderlich sein sollen. Im Weiteren soll die Auflösung der Position der auszuwertenden Strahlungsintensitätsminima der reflektierten Strahlung verbessert, die Bestimmung der Lage der Minima präziser und auf diese Weise eine genauere Bestimmung des Brechungsindex eines Messmediums ermöglicht werden.
Ferner sollte es aufgrund der anzugebenden technischen Lösung möglich sein, den Messbereich zu vergrößern.
Die vorstehend beschriebene Aufgabe wird mit einer SPR-Sensoreinheit gemäß Anspruch 1, einem Verfahren zur Bestimmung des Brechungsindex eines Probenmediums nach Anspruch 9 und einer Messeinrichtung, wie sie in Anspruch 14 angegeben ist, gelöst. Im Anspruch 15 ist darüber hinaus eine erfindungsgemäße Verwendung einer SPR-Sensoreinheit angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweiser Bezugnahme auf Figuren näher erläutert.
Die Erfindung betrifft eine SPR-Sensoreinheit mit einer Strahlungseinheit zur Emission einer Strahlung, mit wenigstens einem Optikelement, durch das die von der Strahlungseinheit emittierte Strahlung unter wenigstens einem Einfallwinkel auf eine Grenzfläche lenkbar ist, und mit einem Detektor, der eingerichtet ist, um die von der Grenzfläche reflektierte Strahlung zu empfangen und in Abhängigkeit einer Intensität und eines Winkels der reflektierten Strahlung ein Detektorsignal zu erzeugen und an einer Schnittstelle, die zur Anbindung einer Auswerteeinheit geeignet ist, bereitzustellen. Hierbei berühren sich an der Grenzfläche zumindest in einem Messbereich das Optikelement und eine Metallschicht, wobei das Optikelement zumindest im Messbereich ein erstes Medium mit einem ersten Brechungsindex und die Metallschicht einen zweiten Brechungsindex aufweist und wobei die Metallschicht auf einer dem Optikelement abgewandten Seite unmittelbar oder mittelbar an einen zur wenigstens zeitweisen Aufnahme eines Probenmediums vorgesehener Probenraum angrenzt. Hierbei ist die Strahlungseinheit eingerichtet ist, um zu verschiedenen Zeitpunkten oder während verschiedener Zeitspannen Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge oder in einem unterschiedlichen Wellenlängenbereich zu emittieren und dass die Detektoreinheit derart angeordnet und ausgeführt ist, dass das Detektorsignal eine Information über einen Ausfallwinkel enthält, unter dem ein Teil der reflektierten Strahlung von der Grenzfläche abgestrahlt wird, dessen Strahlungsintensität ein lokales Minimum im Vergleich zum übrigen Teil der reflektierten Strahlung aufweist. Erfindungsgemäß zeichnet sich die SPR-Sensoreinheit dadurch aus, dass die Auswerteeinheit eingerichtet ist, um während eine Strahlung mit einer Wellenlänge oder in einem Wellenlängenbereich von der Strahlungseinheit emittiert und von dem Optikelement auf die Grenzfläche gelenkt wird, sodass die von der Detektoreinheit empfangene reflektierte Strahlung kein durch ein Oberflächenplasmon verursachtes lokales Minimum der Strahlungsintensität aufweist, auf der Grundlage des von der Detektoreinheit bei Empfang von reflektierter Strahlung, die kein durch ein Oberflächenplasmon verursachtes lokales Minimum der Intensität der Strahlung aufweist, erzeugten Detektorsignals, eine Referenzkurve zu erzeugen und ein lokales Minimum oder lokale Minima der Referenzkurve bei der Ermittlung eines durch ein Oberflächenplasmon verursachten lokalen Minimums der Intensität der reflektierten Strahlung zu berücksichtigen
Auf der Grundlage des Detektorsignals wird, bevorzugt durch eine drahtlos oder drahtgebunden an die Schnittstelle angebundene Auswerteeinheit eine Messwertkurve bzw. ein Spektrum erzeugt, die bzw. das die Strahlungsintensität der reflektierten Strahlung in Abhängigkeit eines Ortes auf der Detektoroberfläche abbildet, und die bzw. das für zumindest einen Ort auf der Detektoroberfläche ein lokales Minimum der Strahlungsintensität der reflektierten Strahlung zeigt. Es wird somit ein Minimum der Strahlungsintensität der reflektierten Strahlung detektiert, wobei die Strahlungsintensität in Abhängigkeit des Auftreffpunktes auf der Detektoroberfläche und damit des Winkels, unter dem Strahlung von der Grenzfläche reflektiert wird, variiert. In diesem Zusammenhang ist der Detektor mit der Detektoroberfläche derart ausgeführt, dass in Abhängigkeit des Ortes, an dem reflektierte Strahlung auf die Detektoroberfläche auftrifft, ein Detektorsignal erzeugbar ist, das eine Information über den Ausfallwinkel, unter dem die auf diesen Ort auftreffende reflektierte Strahlung aus Richtung der Grenzfläche, also der Fläche, an der sich das Optikelement und die Metallschicht berühren, abgestrahlt wird. Sofern in dieser Beschreibung der Begriff Einfall- oder Ausfallwinkel verwendet wird, so wird unter einem Einfallwinkel der zwischen der Strahlrichtung der auf die Grenzfläche einstrahlenden Strahlung und einem Lot auf die Grenzfläche im Auftreffpunkt der einstrahlenden Strahlung eingeschlossener Winkel und unter einem Ausfallwinkel der zwischen der Strahlrichtung der von der Grenzfläche reflektierten Strahlung und einem Lot auf die Grenzfläche im Auftreffpunkt der einstrahlenden Strahlung eingeschlossene Winkel verstanden.
Mithilfe der erfindungsgemäßen SPR-Sensoreinheit ist es somit möglich, durch eine zeitliche Veränderung der Wellenlänge der auf den Messbereich der Grenzfläche gelenkten Strahlung eine zeitlich aufgelöste wellenlängenselektive Detektion von Winkelspektren der reflektierten und durch ein Oberflächenplasmon beeinflussten Strahlungsintensität vorzunehmen. Hierbei wird zu unterschiedlichen Zeitpunkten oder in unterschiedlichen Zeiträumen jeweils für Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge der Ausfallwinkel der reflektierten Strahlung ermittelt, unter dem die Intensität der reflektierten Strahlung ein lokales Minimum annimmt. Mittels der lichtsensitiven Oberfläche des Detektors wird somit ein Ort ermittelt, an dem die von der Grenzfläche reflektierten Strahlung vergleichsweise dunkel ist, wobei anhand der Lage dieses Ortes der für diesen Teil der Strahlung mit minimaler Strahlungsintensität spezifische Ausfallwinkel ermittelt wird. Dieser spezifische Ausfallwinkel wird als Θ_SPR bezeichnet. Auf der Grundlage dieses spezifischen Winkels lässt sich nunmehr mithilfe der Formel $θ_{S P R} = \frac{1}{n_{1}} \cdot s i n^{- 1} \cdot (\sqrt{\frac{n_{2}^{2} \cdot n_{g}^{2}}{n_{2}^{2} + n_{g}^{2}}})$
mit

n₁: Brechungsindex des ersten Mediums sowie
n_g: Brechungsindex der Metallschicht

₂

Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung verfügt die Strahlungseinheit über wenigstens zwei Strahlungsquellen, die Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge oder in einem unterschiedlichen Wellenlängenbereich emittieren und die zumindest zeitweise getrennt voneinander aktiviert werden. Die wenigstens zwei Strahlungsquellen sind vorzugsweise derart ansteuerbar, dass diese nacheinander aktiviert werden können, um so Messungen mit unterschiedlichen Wellenlängen durchzuführen. Bei der Verwendung von Strahlungen unterschiedlicher Wellenlänge liegen die lokalen Minima der Strahlungsintensität der an der Grenzfläche reflektierten Strahlung, die durch ein Oberflächenplasmon verursacht werden, an unterschiedlichen Stellen auf dem Detektor. Ebenso kann zumindest eine Strahlungsquelle derart ausgewählt werden, dass sich in dem Wellenlängenbereich der emittierten Strahlung kein Oberflächenplasmon ausbildet und somit vom Detektor kein lokales Minimum der Strahlungsintensität der reflektierten Strahlung erfasst wird.
Im Weiteren ist es denkbar, dass die Strahlungseinheit eine zumindest über einen gewissen Wellenlängenbereich polychromatische Strahlungsquelle sowie zumindest ein Filterelement und/oder einen Monochromator aufweist. Gemäß dieser Ausführungsform werden verschiedenen Zeitpunkten oder während verschiedener Zeiträume jeweils Strahlungen mit unterschiedlicher Wellenlänge erzeugt, indem das Filterelement und/oder der Monochromator bedarfsgerecht in den Strahlengang der von der Strahlenquelle emittierten Strahlung eingekoppelt oder aus diesem entfernt wird. Hierbei ist eine geeignete Kombination unterschiedlicher Filterelemente denkbar Mithilfe einer Kombination bestehend aus einer zumindest über einen gewissen Wellenlängenbereich polychromatischen Strahlenquelle und einer Mehrzahl zumindest zeitweise in den Strahlengang der emittierten Strahlung einkoppelbaren Filterelemente kann eine Strahlungseinheit bereitgestellt werden, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten oder in unterschiedlichen Zeiträumen Strahlungen mit jeweils unterschiedlichen Wellenlängen emittiert, wobei die Wellenlänge oder Wellenlängenbereiche der emittierten Strahlung besonders bedarfsgerecht einstellbar sind.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens eine Verstelleinheit vorgesehen, um einen Abstand zwischen der Strahlungseinheit und der Grenzfläche und/oder um den Einfallwinkel, unter dem die emittierte Strahlung auf die Grenzfläche auftrifft, zu verändern. Durch eine entsprechende Verstelleinheit wird ein variables Einstellen der auf die Grenzfläche auftreffenden Strahlung ermöglicht, sodass das erfindungsgemäße Verfahren besonders flexibel gestaltet werden kann. In diesem Zusammenhang ist es generell denkbar, dass der Messbereich und/oder die Spektren der erfassten Strahlungsintensität der reflektierten Strahlung aufgrund einer Änderung des Einfallswinkels verändert wird.
Im Weiteren sieht eine besondere Ausgestaltung der Erfindung vor, dass die Strahlungseinheit wenigstens eine Linse und/oder einen Polarisationsfilter aufweist. Der Einsatz eines Polarisationsfilters bietet hierbei den Vorteil, dass das Minimum der Strahlungsintensität aufgrund des vorhandenen Kontrast besonders gut detektierbar ist. Der Verzicht auf einen Polarisationsfilter führt dagegen zu einer Verminderung des Kontrasts des Minimums der Strahlungsintensität.
Ferner sieht eine alternativ oder in Ergänzung vorgesehene Weiterbildung der Erfindung vor, dass das Optikelement ein Prisma, vorzugsweise ein Glasprisma aufweist. Durch die Verwendung einer Linse und/oder eines Polfilters kann die von der Strahlungseinheit emittierte Strahlung bedarfsgerecht ausgerichtet, geformt und/oder umgelenkt werden. Insbesondere kann mit Hilfe einer Linse eine divergente oder konvergente Strahlung erzeugt werden. Ferner ist es durch die Verwendung eines Polfilters auf bevorzugte Weise möglich, eine Polarisierung der emittierten Strahlung um 90° zu bewirken, sodass sich in der Grenzfläche aufgrund der erfolgten Polarisierung kein Oberflächenplasmon ausbildet. Auf diese Weise ist generell die Aufnahme eines Referenzspektrums durchführbar, da kein Oberflächenplasmon und somit auch kein dadurch hervorgerufenes lokales Minimum der Strahlungsintensität der reflektierten Strahlung vorhanden ist. In diesem Fall detektierte Minima der Strahlungsintensität sind allein durch den Aufbau und die Eigenschaften der Strahlungseinheit sowie der verwendeten optischen Bauteile begründet und werden bevorzugt bei der Ermittlung des Brechungsindex eines Probenmediums mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens berücksichtigt.
Als Detektor wird bevorzugt eine Zeilenkamera verwendet, mit der an der Grenzfläche reflektierte Strahlung empfangen und ein Detektorsignal, das zumindest eine Information in Bezug auf den Ausfallwinkel, unter dem wenigstens ein Teil der reflektierten Strahlung ein Minimum der Strahlungsintensität im Vergleich zum übrigen Teil der reflektierten Strahlung aufweist, erzeugt. Alternativ oder ergänzend ist es denkbar, dass der Detektor einen CCD-Sensor, ein Sensorarray, eine Fotodiode und/oder eine sonstige Kameraeinheit aufweist.
In einer speziellen Weiterbildung der Erfindung verfügt die Metallschicht zumindest über eine Gold-, Platin- und/oder Palladiumschicht mit einer Schichtdicke zwischen 40 und 60 nm, besonders bevorzugt von zumindest etwa 50 nm.
Weiterhin ist es zumindest für bestimmte Einsatzfälle von Vorteil, wenn die Metallschicht zumindest in einem dem Probenraum zugewandten Bereich über eine Beschichtung verfügt. Eine derartige Beschichtung bietet den Vorteil, dass darin spezielle Strukturen, etwa gezielt ausgewählte Stoffe und/oder Moleküle, angeordnet werden können, an die dann wiederum im Probenmedium vorhandene Zielstoffe und/oder Zielmoleküle binden, sodass spezielle Eigenschaften des Probenmedium bestimmbar sind. Bevorzugt weist die Beschichtung wenigstens bereichsweise Polydimethylsiloxan (PDMS) auf. Gemäß einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist es denkbar, dass in eine derartige Beschichtung geeignete Messmoleküle, insbesondere Biomoleküle oder Antigene, eingebracht werden, sodass Änderungen des Brechungsindex des Probenmediums und damit Dichteänderungen, die auf einer Veränderung des Anteils von Zielmolekülen im Probenmedium beruhen, detektierbar sind, sobald die Zielmoleküle, insbesondere Biomoleküle, Antikörper und/oder sonstige Inhaltsstoffe, an die Messmoleküle bevorzugt reversibel binden.
Eine derart ausgerüstete SPR-Sensoreinheit wird bevorzugt im Bereich der Wasseranalytik, insbesondere bei der Untersuchung von Salz- bzw. Seewasser, und/oder in der Labordiagnostik, etwa zur Untersuchung von Körperflüssigkeiten auf das Vorhandensein von Antikörpern, Antigenen oder sonstiger autologer oder allogener Inhaltsstoffe. Eine ganz spezielle Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Beschichtung der Metallschicht Cryptophan A und/oder für das Messmedium spezifische Strukturen aufweist, an die Zielmoleküle und/oder ein Zielstoff bevorzugt reversibel binden. Auf besonders bevorzugte Weise wird eine erfindungsgemäß ausgebildete SPR-Sensoreinheit mit einer Metallschicht, auf der sich eine Beschichtung, die Cryptophan A enthält, befindet, zur Bestimmung eines Methangehalts eines Probenmedium, bspw. des Methangehalts von See- bzw. Meerwasser, verwendet.
Neben einer SPR-Sensoreinheit betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Bestimmung des Brechungsindex eines Probenmediums, bei dem Strahlung von einer Strahlungseinheit emittiert, mit wenigstens einem Optikelement unter einem Einfallswinkel auf eine Grenzfläche gelenkt und bei dem mit einem Detektor die von der Grenzfläche reflektierte Strahlung wenigstens teilweise empfangen und in Abhängigkeit einer Intensität der reflektierten Strahlung ein Detektorsignal erzeugt wird. An der Grenzfläche, die wenigstens teilweise als Messbereich genutzt wird, berühren sich das Optikelement und eine Metallschicht, wobei das Optikelement zumindest in einem die Strahlung auf den Messbereich lenkenden Bereich über ein erstes Medium mit einem ersten Brechungsindex verfügt und die Metallschicht auf einer dem Optikelement abgewandten Seite unmittelbar oder mittelbar an einen zur Aufnahme eines Probenmediums vorgesehenen Probenraum angrenzt und einen zweiten Brechungsindex aufweist. Das bei einer Messung erzeugte Detektorsignal wird über eine Schnittstelle drahtlos oder drahtgebunden an eine Auswerteeinheit übertragen. Zu verschiedenen Zeitpunkten oder während verschiedener Zeiträume wird Strahlung mit unterschiedlicher Wellenlänge oder in einem unterschiedlichen Wellenlängenbereich von der Strahlungseinheit emittiert und durch das Optikelement auf den Messbereich der Grenzfläche gelenkt und die Auswerteeinheit ermittelt unter Berücksichtigung des Detektorsignals einen Ausfallwinkel, unter dem ein Teil der reflektierten Strahlung von der Grenzfläche reflektiert wird, dessen Intensität im Vergleich zum übrigen Teil der reflektierten Strahlung ein lokales Minimum annimmt. Weiterhin wird unter Zugrundelegung des ermittelten Ausfallwinkels sowie des ersten und des zweiten Brechungsindex ein Brechungsindex sowie vorzugsweise eine Dichte oder Dichteänderung des im Probenraum befindlichen Messmediums bestimmt. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest zeitweise eine Strahlung mit einer Wellenlänge oder in einem Wellenlängenbereich von der Strahlungseinheit emittiert und von dem Optikelement auf die Grenzfläche gelenkt wird, sodass die von der Detektoreinheit empfangene reflektierte Strahlung kein durch ein Oberflächenplasmon verursachtes lokales Minimum der Strahlungsintensität aufweist und dass auf der Grundlage des von der Detektoreinheit bei Empfang von reflektierter Strahlung, die kein durch ein Oberflächenplasmon verursachtes lokales Minimum der Intensität der Strahlung aufweist, erzeugten Detektorsignals, eine Referenzkurve erzeugt wird, um ein lokales Minimum oder lokale Minima der Referenzkurve bei der Ermittlung eines durch ein Oberflächenplasmon verursachten lokalen Minimums der Intensität der reflektierten Strahlung zu berücksichtigen.
Gemäß der Erfindung wird ein Spektrum der reflektierten Strahlung erzeugt, das kein lokales Minimum aufweist. Ein derartiges Spektrum wird als Referenzspektrum verwendet, insbesondere um eine Normierung des wenigstens einen weiteren Spektrums, das über ein durch ein Oberflächenplasmon verursachtes lokales Minimum der Strahlungsintensität verfügt, zu normieren und/oder wenigstens ein Minimum, das durch den optischen Aufbau, der zur Messung verwendet wird, nicht aber durch ein Oberflächenplasmon verursacht wird, bei der Auswertung der aufgenommenen Spektren zu berücksichtigen. Die Auswerteeinheit ist somit eingerichtet, um auf der Grundlage des vom Detektor bei Empfang von reflektierter Strahlung, die kein durch ein Oberflächenplasmon verursachtes lokales Minimum der Intensität der Strahlung aufweist, erzeugtes Detektorsignal eine Referenzkurve zu erzeugen und diese vorzugsweise bei der Ermittlung eines Brechungsindex, einer Dichte und/oder einer Dichteänderung des untersuchten Probenmediums zu berücksichtigen. Hierbei ist die Auswerteeinheit eingerichtet, um ein lokales Minimum oder lokale Minima der Referenzkurve bei der Ermittlung eines durch ein Oberflächenplasmon verursachten lokalen Minimums der Intensität der reflektierten Strahlung zu berücksichtigen.
Aufgrund der Durchführung einer Messung mit wenigstens zwei unterschiedlichen Wellenlängen ist es möglich, unterschiedliche Spektren bzw. Messkurven für die Intensität der reflektierten Strahlung aufzunehmen und auszuwerten, wobei die unterschiedlichen Wellenlängen derart gewählt werden, dass zumindest eines der aufgenommenen Spektren ein lokales Minimum der Strahlungsintensität aufweist.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung werden von der Strahlungseinheit zeitlich beabstandet wenigstens zwei Strahlungen, die zumindest zum Teil Wellenlängen aufweisen, die nah beieinander liegen, emittiert, die derart gewählt sind, dass jeweils lokale Minima der Strahlungsintensität der beiden Strahlungen, die durch ein Oberflächenplasmon verursacht werden, vom Detektor, insbesondere der lichtsensitiven Detektoroberfläche, erfassbar sind. Besonders bevorzugt werden zwei Strahlungen verwendet, deren Wellenlängen nicht mehr als 10 bis 20 nm voneinander entfernt sind. Bevorzugt beträgt die maximale Differenz der Wellenlängen der beiden Strahlungen 15 nm und ganz besonders bevorzugt 10 nm. Aufgrund dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zwei lokale Minima der Strahlungsintensität detektiert, die nah beieinander liegen, sodass durch Mittelung der erhaltenen Messwerte ein Brechungsindex und/oder eine Dichte des Probenmediums mit vergleichsweise hoher Genauigkeit bestimmbar ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird von der Strahlungseinheit zu verschiedenen Zeitpunkten oder in verschiedenen Zeiträumen unterschiedliche Strahlung emittiert, insbesondere Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge, und durch das Optikelement auf den Messbereich der Grenzfläche gelenkt, wobei die Wellenlängen derart beabstandet zueinander ausgewählt sind, dass das eine der Strahlungen kein durch ein Oberflächenplasmon bewirktes lokales Minimum der Strahlungsintensität aufweist oder das ein durch ein Oberflächenplasmon bewirktes lokales Minimum der Strahlungsintensität zumindest nicht im Bereich der Detektoroberfläche des Detektors liegt. In dem letztgenannten Fall tritt das durch die Bildung eines Oberflächenplasmons bedingte Minimum der Strahlungsintensität somit zumindest nicht innerhalb des vom Detektor erfassten Winkelbereichs auf. Der Abstand der Wellenlängen liegt wenigstens in einem Bereich von 100 bis 200 nm. Die minimale Differenz der Wellenlängen der wenigstens zwei Strahlungen liegt dann zwischen 100 bis 200 nm, wobei insbesondere eine Differenz von 100 nm, bevorzugt eine Differenz von 150 nm und besonders bevorzugt eine Differenz der Wellenlängen von 200 nm gewählt wird.
Werden gemäß dieser speziellen Ausführungsform Strahlungen verwendet, die zwei hinreichend weit voneinander entfernte Wellenlängen aufweisen, sodass bei einer der Wellenlängen ein durch ein Oberflächenplasmon verursachtes Minimum der Strahlungsintensität nicht existiert oder zumindest nicht im Erfassungsbereich des Detektors liegt, wird das erfasste Spektrum auf bevorzugte Weise als Referenzspektrum verwendet werden.
Im Übrigen ist es denkbar, wenigstens zwei Strahlungen mit zumindest teilweise hinreichend weit voneinander entfernten Wellenlängen zu verwenden, um den Messbereich des Verfahrens oder der zuvor beschriebenen Sensoreinheit zu erweitern. Hier wird die erste Strahlung derart gewählt, dass diese zumindest teilweise eine erste Wellenlänge λ₁ aufweist, sodass der Brechungsindex des Probenmediums in einem Bereich von n₁ bis n₃ liegt und ein durch ein Oberflächenplasmon bedingtes Minimum der Strahlungsintensität vom Detektor erfassbar ist. Für die zweite Strahlung wird eine Wellenlänge λ₂ gewählt, sodass der Brechungsindex des Probenmediums in einem Bereich von n₂ bis n₄ liegt und ein durch ein Oberflächenplasmon bedingtes Minimum der Strahlungsintensität ebenfalls vom Detektor erfassbar ist. Bei Realisierung dieser Ausführungsform gilt für die wellenlängenspezifischen Brechungsindices des Probenmediums n₁ < n₂ < n₃ < n₄.
Im Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Messeinrichtung zur Erfassung eines Brechungsindex und/oder einer Dichte eines Probenmediums mit einer SPR-Sensoreinheit, die gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen ausgestaltet ist, und mit einer zumindest zeitweise bestehenden Datenübertragungsstrecke zur drahtlosen oder drahtgebunden Übertragung des Detektorsignals von dem Detektor an eine Schnittstelle einer Auswerteeinheit, die eingerichtet ist, um unter Berücksichtigung eines Ausfallwinkels der reflektierten Strahlung, eines lokalen Minimums der Strahlungsintensität der reflektierten Strahlen sowie des ersten und des zweiten Brechungsindex, also des Brechungsindex des ersten Mediums sowie der Metallschicht, einen Brechungsindex und/oder eine Dichte des Probenmediums zu ermitteln. Bevorzugt wird eine SPR-Sensoreinheit und ein Verfahren zur Bestimmung des Brechungsindex eines Probenmediums und/oder eine Messeinrichtung zur Erfassung eines Brechungsindex und/oder einer Dichte eines Probenmediums, die jeweils gemäß wenigstens einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet, für Dichtebestimmung von Flüssigkeiten, zur Bestimmung einer Konzentration von Inhaltsstoffen in Süß, Brack- oder Salzwasser und/oder zur Bestimmung von Inhaltsstoffen, Antigenen und/oder Antikörpern in flüssigem biologischem Material auf dem Gebiet der Medizin, Tiermedizin und/oder Labordiagnostik eingesetzt. Besonders geeignet sind die Sensoreinheit, das Verfahren und die Messeinrichtung gemäß der Erfindung zur Bestimmung des Methangehaltes in Salz- bzw. Seewasser geeignet. Das Vorsehen wenigstens eines speziellen Stoffes, einer Struktur und/oder eines Moleküls in der Beschichtung der Metallschicht ermöglicht somit auf besonders vorteilhafte Weise die Erfassung spezifischer Eigenschaften eines Probenmediums, insbesondere des Gehalts von spezifisch ausgewählten Zielstoffen und/oder Zielmolekülen.
Im Folgenden wird die Erfindung ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand spezieller Ausführungseispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

1: Schematische Darstellung des von einer SPR-Sensoreinheit genutzten Messprinzips,
2: Zwei Messkurven aufgenommen bei der Messung des Brechungsindex zweier Probenmedien mit unterschiedlichem Salzgehalt sowie eine Referenzkurve aufgenommen bei einer Messung mit Luft als Probenmedium,
3: Zwei Messkurven aufgenommen bei der Messung des Brechungsindex zweier Probenmedien mit unterschiedlichem Salzgehalt jeweils normiert auf eine Referenzkurve aufgenommen bei einer Messung mit Luft als Probenmedium,
4: Messkurve aufgenommen bei der Messung des Brechungsindex eines Probenmediums, Messkurve ohne den durch das Oberflächenplasmon beeinflussten Bereich und durch Näherung erzeugtes Referenzspektrum,
5: Messkurve aufgenommen bei der Messung des Brechungsindex eines Probenmediums normiert auf eine durch Näherung erzeugte Referenzkurve sowie der durch das Oberflächenplasmon beeinflusste Bereich durch Näherung geglättet,
6: Perspektivische Darstellung einer SPR-Sensoreinheit zur Detektion des Methangehalts in Seewasser sowie
7: Perspektische Darstellung einer erfindungsgemäß ausgeführten SPR-Sensoreinheit.

1 zeigt in einer schematischen Darstellung das prinzipielle Funktionsprinzip, basierend auf dem mit einer SPR-Sensoreinheit 1 die Veränderung des Brechungsindex eines Probenmediums 9 detektierbar ist. Das Probenmedium befindet sich in einem Probenraum 8, der unmittelbar an eine Metallschicht 7 angrenzt, die gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiels eine etwa 50 nm dicke Goldschicht und eine 1 nm dicke Platinschicht aufweist. In Abhängigkeit der zu realisierenden Analyse kann auf der Metallschicht 7 eine Beschichtung 18 vorgesehen sein, in der wenigstens ein speziell ausgewählter Stoff, eine Struktur und/oder ein Molekül angeordnet ist, an den, die oder das ein im Probenmedium zu erwartender Zielstoff, eine Zielstruktur und/oder ein Zielmolekül bindet, sodass sich der Brechungsindex in diesem Bereich ändert.
Die SPR-Sensoreinheit 1 verfügt über eine Strahlungseinheit 2 mit einer monochromatische Lichtquelle 3, die etwa durch eine LED realisiert werden kann, und ein Optikelement 6, durch das die von der Strahlungseinheit 2 emittierte Strahlung unter einem Einfallswinkel auf eine Grenzfläche 10 zwischen dem Optikelement 6 und der Metallschicht 7 eingestrahlt wird. Als weitere Bauteile zur Strahlformung und Strahllenkung verfügt die Strahlungseinheit 1 über eine Linse 4 und einen Polfilter 5.
Gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Optikelement 6 als Prisma ausgeführt und weist als erstes Medium Glas mit einem Brechungsindex n₁ auf. Die Metallschicht 7 weist den Brechungsindex n_g auf.
Unter bestimmten Bedingungen an die Verhältnisse der Brechungsindices des ersten Mediums n₁, der Metallschicht n_g sowie des Brechungsindex des Probenmediums n₂ bildet sich ein Oberflächenplasmon (Surface Plasmon) aus. Durch dieses Oberflächenplasmon wird Lichtenergie abgeleitet, sodass die an der Grenzfläche 10 zwischen Optikelement 6 in Form eines Glasprismas und der Metallschicht 7 reflektierte Strahlung in einem spezifischen Ausfallswinkel Θ_SPR ein lokales Minimum der Strahlungsintensität aufweist, das der Detektor 11 als dunkle Stelle erfasst.
Gemäß der hier gezeigten Ausführungsform wird als Detektor 11 eine Zeilenkamera verwendet, die ein Detektorsignal erzeugt, das eine Information über den Ausfallwinkel des Teils der reflektierten Strahlung, an dem auf den Detektor eine dunkle Stelle erscheint, enthält.
Unter Berücksichtigung der von dem Detektor 11 detektierten dunklen Lücke in der reflektierten Strahlung bzw. dem lokalen Minimum der Strahlungsintensität lässt sich bei konstanten Brechungsindices n₁ und n_g, des ersten Mediums des Optikelements 6 sowie der Metallschicht 7 der Brechungsindex n₂ des Probenmediums 9 im Probenraum 8 bestimmen. Änderungen des Brechungsindex n₂ des Probenmediums wirken sich wiederum auf die Lage der dunklen Lücke der reflektierten Strahlung, also die Größe des Ausfallwinkels Θ_SPR, aus und werden mithilfe des Detektors 11 erfasst. Das vom Detektor 11 in Abhängigkeit der auf die Detektoroberfläche auftreffenden reflektierten Strahlung erzeugte Detektorsignal wird drahtlos oder drahtgebunden an eine Auswerteeinheit 17 übertragen, die auf der Grundlage des Detektorsignals, insbesondere der Lage des lokalen Minimums der Strahlungsintensität der reflektierten Strahlung, eine Änderung des Brechungsindex und der Dichte des Probenmediums 9 ermittelt. Aus der Änderung der Dichte kann wiederum auf den Anteil der im Probenmedium enthaltenen Inhaltsstoffe und hier speziell ausgewählter Zielsubstanzen und/oder Zielmoleküle geschlossen werden. In diesem Zusammenhang ist es denkbar, auf der Metallschicht 7 oder in einer Beschichtung 18 der Metallschicht bestimmte Messmoleküle vorzusehen, an die Zielmoleküle binden.
2 zeigt Messkurven von Beispielsmessungen, die mit einer erfindungsgemäß ausgeführten SPR-Sensoreinheit 1 durchgeführt worden sind. Als Probenmedien 9 wurden wässrige NaCl-Lösungen mit unterschiedlichem Salzgehalt verwendet, wobei eine durch eine Änderung des Salzgehalts bedingte Änderung der Dichte des Wassers anhand der Änderung des Brechungsindex festgestellt wurde. Aufgrund des Einsatzes der erfindungsgemäß ausgeführten SPR-Einheit bildet sich an der Grenzfläche ein Oberflächenplasmon aus, sodass unter einem speziellen Ausfallwinkel Θ_SPR mit der als Detektor 11 verwendeten Zeilenkammer an einem bestimmten Ort der Detektoroberfläche ein lokales Minimum der Strahlungsintensität der reflektierten Strahlung erfasst wird.
Die Messkurve A zeigt die vom Detektor registrierte Strahlungsintensität in Abhängigkeit des Auftreffpunktes auf der Detektoroberfläche und damit des Ausfallswinkels für Wasser mit einem Salzgehalt von 6 g/Liter. Die Messkurve B zeigt die registrierte Strahlungsintensität für Wasser mit einem Salzgehalt von 35 g/Liter. Beide für das Probenmedium Wasser aufgezeichneten Messkurven zeigen deutlich lokale Minima der Strahlungsintensität, die durch das an der Grenzfläche 10 der SPR-Sensoreinheit 1 entstandenes Oberflächenplasmon verursacht werden. Im Weiteren zeigt die Messkurve C das Ergebnis einer Messung der Strahlungsintensität bei der Verwendung von Luft als Probenmedium, wobei sich an der Grenzfläche kein Oberflächenplasmon ausbildet.
Die Messkurve zeigen, dass sich das lokale Minimum für Wasser mit einem Salzgehalt von 6 g/Liter (Kurve A) ungefähr bei Pixel 1000 und bei Wasser mit einem Salzgehalt von 35 g Liter (Kurve B) bei Pixel 1200 der Zeilenkamera befindet. Aus diesen lokalen Minima der Strahlungsintensitäten der reflektierten Strahlungen und der Kenntnis über den Ort der Pixel der Zeilenkamera und damit des speziellen Ausfallwinkels Θ_SPR, lassen sich sowohl eine Änderung des Brechungsindex und damit eine durch den geänderten Salzgehalt verursachte Änderung der Dichte des Wassers detektieren.
Die Messkurve C, die mit Luft als Probenmedium 9 erstellt wurde, weist kein derartig ausgeprägtes lokales Minimum auf. Dies ist damit zu begründen, dass sich an der Grenzfläche kein Oberflächenplasmon bildet, sobald sich Luft im Probenraum 8 befindet. Die Messkurve C wird daher als Referenzkurve zur Normierung der Messkurven A und B verwendet.
3 zeigt die Messkurven D und E, wobei die Messkurve D durch Normierung der Messkurve A für Wasser mit einem Salzgehalt von 6 g/Liter mittels der Referenzkurve C und die Messkurve E durch Normierung der Messkurve B für Wasser mit einem Salzgehalt von 35 g/Liter mittels der Referenzkurve C erzeugt wurde.
Eine derartige Normierung bietet den Vorteil, dass die lokalen Minima der Messkurven, hier A und B, besonders deutlich erkennbar werden. Die Normierung der Messungen mit Luft ist notwendig, da die Strahlformung durch die Strahlungseinheit 1 und die benötigten optischen Komponenten, beispielsweise bei Verwendung einer LED, nicht perfekt ist und daher lokale Minima aufweist, die bei der Auswertung mit Hilfe der Normierung berücksichtigt werden. Wie 3 zu entnehmen ist, ist das Minimum der Strahlungsintensität jeweils nach Normierung deutlicher ausgeprägt, sodass eine genauere Bestimmung der lokalen Minima erfolgt.
Die beschriebenen SPR-Sensoreinheiten 1 werden vielfach zur genauen Bestimmung der Konzentration bestimmter Inhaltsstoffe in Gas oder Flüssigkeiten verwendet. Ein besonderes Einsatzgebiet ist die Verwendung einer SPR-Sensoreinheit als in-situ-Sensoreinheit für den Einsatz im Meer. Um spezifische Messungen mit Biomolekülen oder Messmolekülen für bestimmte chemische Inhaltsstoffe durchführen zu können, wird die Metallschicht beschichtet, wobei sich die Messmoleküle, an die zu detektierenden Zielmoleküle in der Beschichtung binden.
Damit direkt in umgebendem Seewasser Messungen durchführbar sind, werden die benötigten Messmoleküle, an die die Zielmoleküle binden, entweder in eine Polydimethylsiloxan-Membran (PDMS-Membran) eingebracht oder direkt an die Metallschicht gekoppelt und dann mit einer PDMS-Membran überzogen. Während der Messung diffundieren die Zielmoleküle durch die PDMS-Membran und binden, oftmals reversibel an die Messmoleküle, wodurch sich die Dichte der PDMS-Membran und damit der Brechungsindex n₂ des Probenmediums ändern.
Sobald die Metallschicht 7 einer SPR-Sensoreinheit 1 zumindest auf der dem Probenraum 8 zugewandten Seite mit einer PDMS-Membran als Beschichtung 18 überzogen ist, ist es nicht möglich, eine Normierung der Messsignale durch eine Messung mit Luft, bei der kein Oberflächenplasmon gebildet wird, durchzuführen. Dies ist nur bei SPR-Sensoreinheiten 1 möglich, die keine mit einer Beschichtung versehene Metallschicht 7 aufweisen. Um eine Referenzkurve für die Normierung zu erhalten, ist es möglich, eine Verstelleinheit vorzusehen, um die Polarisierung der emittierten Strahlung um 90° zu drehen. Aufgrund dieser Maßnahme tritt kein Oberflächenplasmon in der Grenzfläche auf, es ist allerdings eine mechanische Verstelleinheit vorzusehen.
Weiterhin ist es möglich eine Referenzkurve rechnerisch zu erzeugen. Gemäß dem hier erläuterten Ausführungsbeispiel werden bei der in 4 dargestellten aufgenommenen Messkurve F die äußeren Bereiche herausgelöst, sodass die Kurve G gebildet wird. Dieses angenäherte Polynom kann daraufhin als Referenzkurve H für eine Normierung der Messkurve F verwendet werden.
In 5 zeigt Kurve I das Ergebnis der Normierung der Messkurve F mittels der Referenzkurve H. In diesem Zusammenhang besteht die Möglichkeit, die normierte Messkurve I durch Verwendung einer Gauß-Funktion der Form $1 - a * exp (- ((pixNO - b) / c) 2$
weiter zu nähern, wobei als erster Anpassungsfaktor der Ort des lokalen Minimums auf der Detektoroberfläche und als zweiter Anpassungsparameter die Breite des Dips um das lokale Minimum verwendet wird. In 5 zeigt Kurve J den durch die Bildung eines Oberflächenplasmons beeinflussten Bereich der normierten Messkurve I, der durch die oben genannte Gaußfunktion angenähert wurde.
Der Vorteil der Verwendung einer Gauß-Funktion besteht darin, dass das Signalrauschen des Ergebnisses geringer ist als bei der reinen Anpassung durch ein Polynom.
6 zeigt in einer perspektivischen Darstellung eine erfindungsgemäß ausgeführte SPR-Sensoreinheit, die bevorzugt zur Messung der Methan-Konzentration in Seewasser eingesetzt wird. Die SPR-Sensoreinheit verfügt über eine LED als Strahlungsquelle 3, ein Glasprisma als Optikelement 6 sowie eine Metallschicht bestehend aus einer 50 nm dicken Goldschicht und einer 1 nm dicken Platinschicht, sodass bei geeigneten Messbedingungen im Bereich der Grenzfläche 10 zwischen Glasprisma 6 und Metallschicht 7 ein Oberflächenplasmon gebildet wird und die reflektierte Strahlung in einem Bereich ein lokales Minimum der Strahlungsintensität aufweist. Für die Erfassung des Minimums der Strahlungsintensität verfügt die gezeigt SPR-Sensoreinheit 1 über eine Zeilenkamera als Detektor 11, die den Ort der minimalen Strahlung als dunklen Fleck detektiert, sodass mittels einer an die Zeilenkamera angebundenen Auswerteeinheit 17, zu der das Detektorsignal über eine geeignete Schnittstelle 16 übertragen wird, der Ausfallwinkel Θ_SPR des Teils der reflektierten Strahlung, die ein lokales Minimum der Strahlungsintensität annimmt, ermittelt wird. Wie bereits erläutert, kann nunmehr aus diesem spezifischen Ausfallwinkel Θ_SPR, dem Brechungsindices n₁, n_g des Glasprismas sowie der Metallschicht der Brechungsindex n₂ des Probenmediums 9 ermittelt werden. Gemäß der in 6 gezeigten Ausführungsform ist die Metallschicht 7 mit einer PDMS-Membran als Beschichtung 18 überzogen, die geeignete Sensormoleküle aufweist, an die Methan zumindest teilweise bindet.
In 7 ist eine spezielle konstruktive Ausgestaltung für eine SPR-Sensoreinheit 1 dargestellt. Auf einem plattenförmigen Tragelement sind ein Halter 13 für eine Strahlungseinheit zur Befestigung einer Strahlungseinheit 2 sowie ein Halter 14 für eine Detektoreinheit 11 mit einer Detektoreinheit 11 angeordnet. Um die von der Strahlungseinheit 2 emittierte Strahlung in ein als Glasprisma ausgeführtes Optikelement zu lenken und die aus dem Optikelement austretende, an der Grenzfläche zwischen Optikelement 6 und Metallschicht reflektierte Strahlung in Richtung der Detektoreinheit umzulenken sind zu beiden Seiten des Optikelements 6 jeweils Spiegel 15 vorgesehen. Das als Glasprisma ausgeführte Optikelement 6 wird ist einem Prismenhalter 12 befestigt. Die in 7 gezeigte Baueinheit lässt sich in ein Gehäuse einbauen und mittels geeigneter Dichtelemente fluiddicht, insbesondere seewasserdicht, abdichten, sodass die während einer Messung dem zu untersuchenden Probenmedium zugewandte Seite gegenüber der Seite, auf der sich die für die Strahlführung vorgesehenen optischen Elemente befinden, sicher abgedichtet ist. Die gezeigte Baueinheit wird insbesondere für in-situ-Messungen im Meer eingesetzt.
Bezugszeichenliste

1: SPR-Sensoreinheit
2: Strahlungseinheit
3: Strahlungsquelle
4: Linse
5: Polarisationsfilter
6: Optikelement
7: Metallschicht
8: Probenraum
9: Probenmedium
10: Grenzfläche
11: Detektor
12: Prismenhalter
13: Halter für Strahlungseinheit
14: Halter für Detektor
15: Spiegel
16: Schnittstelle
17: Auswerteeinheit
18: Beschichtung
n1: Brechungsindex des ersten Mediums
ng: Brechungsindex der Metallschicht
n2: Brechungsindex des Probenmediums
ΘSPR: Ausfallwinkel, der für reflektierte Strahlung mit einer durch ein Oberflächenplasmon bedingten minimalen Strahlungsintensität spezifisch ist
A: Messkurve, aufgenommen mit Wasser mit einem Salzgehalt von 6 g/Liter als Probenmedium
B: Messkurve, aufgenommen mit Wasser mit einem Salzgehalt von 35 g/Liter als Probenmedium
C: Referenzkurve, aufgenommen mit Luft als Probenmedium
D: Messkurve A normiert auf Referenzkurve C
E: Messkurve B normiert auf Referenzkurve C
F: Messkurve
G: Messkurve F ohne den durch ein Oberflächenplasmon beeinflussten Bereich
H: Referenzkurve, erhalten durch Näherung
I: Messkurve F normiert auf Referenzkurve H
J: durch Oberflächenplasmon beeinflusster Bereich der normierten Messkurve I genähert durch Gauß-Funktion

Claims

SPR(=Surface Plasmon Resonance)-Sensoreinheit (1), mit einer Strahlungseinheit (2) zur Emission einer Strahlung, mit wenigstens einem Optikelement (6), durch das die von der Strahlungseinheit (2) emittierte Strahlung unter einem Einstrahlwinkel auf eine Grenzfläche (10) gelenkt wird, und mit einer Detektoreinheit (11), die eingerichtet ist, um die von der Grenzfläche (10) reflektierte Strahlung zu empfangen und in Abhängigkeit einer Intensität der reflektierten Strahlung ein Detektorsignal zu erzeugen und an einer Schnittstelle (16) zur Anbindung einer Auswerteeinheit (17)bereitzustellen, wobei sich an der Grenzfläche (10) zumindest in einem Messbereich das Optikelement (6) und eine Metallschicht (7) berühren und das Optikelement (6) zumindest im Messbereich ein erstes Medium mit einem ersten Brechungsindex (n₁) und die Metallschicht (7) einen zweiten Brechungsindex (n_g) aufweist und auf der dem Optikelement (6) abgewandten Seite unmittelbar oder mittelbar an einen zur Aufnahme eines Probenmediums (9) vorgesehenen Probenraum (8) angrenzt, wobei die Strahlungseinheit (1) eingerichtet ist, um zu verschiedenen Zeitpunkten oder während verschiedener Zeitspannen Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge oder in einem unterschiedlichen Wellenlängenbereich zu emittieren und die Detektoreinheit (11) derart angeordnet und ausgeführt ist, dass das Detektorsignal eine Information über einen Ausfallwinkel (Θ_SPR) enthält, unter dem ein Teil der reflektierten Strahlung von der Grenzfläche (10) abgestrahlt wird, dessen Strahlungsintensität ein lokales Minimum im Vergleich zum übrigen Teil der reflektierten Strahlung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (17) eingerichtet ist, um während eine Strahlung mit einer Wellenlänge oder in einem Wellenlängenbereich von der Strahlungseinheit (2) emittiert und von dem Optikelement (6) auf die Grenzfläche (10) gelenkt wird, sodass die von der Detektoreinheit (11) empfangene reflektierte Strahlung kein durch ein Oberflächenplasmon verursachtes lokales Minimum der Strahlungsintensität aufweist, auf der Grundlage des von der Detektoreinheit (11) bei Empfang von reflektierter Strahlung, die kein durch ein Oberflächenplasmon verursachtes lokales Minimum der Intensität der Strahlung aufweist, erzeugten Detektorsignals, eine Referenzkurve zu erzeugen und ein lokales Minimum oder lokale Minima der Referenzkurve bei der Ermittlung eines durch ein Oberflächenplasmon verursachten lokalen Minimums der Intensität der reflektierten Strahlung zu berücksichtigen.
SPR-Sensoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungseinheit (1) wenigstens zwei Strahlungsquellen (3a, 3b) aufweist, die Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge oder in einem unterschiedlichen Wellenlängenbereich emittieren.
SPR-Sensoreinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungseinheit (1) zumindest ein Filterelement und/oder einen Monochromator aufweist.
SPR-Sensoreinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Verstelleinheit vorgesehen ist, um einen Abstand zwischen der Strahlungseinheit (1) und der Grenzfläche (10) und/oder um den Einstrahlwinkel zu verändern.
SPR-Sensoreinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungseinheit (1) wenigstens eine Linse (4) und/oder einen Polfilter (5) und/oder das Optikelement (6) ein Prisma aufweist.
SPR-Sensoreinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoreinheit (11) wenigstens eine Zeilenkamera aufweist.
SPR-Sensoreinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht (7) zumindest in einem dem Probenraum (8) zugewandten Bereich eine Beschichtung (18) aufweist.
SPR-Sensoreinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (18) wenigstens bereichsweise Polydimethylsiloxan (PDMS), Cryptophan A und/oder für das Probenmedium (9) spezifische Antigene und/oder Moleküle aufweist.
Verfahren zur Bestimmung des Brechungsindex eines Messmediums, bei dem Strahlung von einer Strahlungseinheit (2) emittiert, mit wenigstens einem Optikelement (6) unter einem Einstrahlwinkel auf eine Grenzfläche (10) gelenkt wird, und bei dem mit einer Detektoreinheit (11) die von der Grenzfläche (10) reflektierte Strahlung wenigstens teilweise empfangen und in Abhängigkeit einer Intensität der reflektierten Strahlung ein Detektorsignal erzeugt und über eine Schnittstelle (16) drahtlos oder drahtgebunden an eine Auswerteeinheit (17) übertragen wird, wobei sich an der Grenzfläche (10) das Optikelement (6) und eine Metallschicht (7) berühren und wobei das Optikelement (6) zumindest in einem die Strahlung auf einen Messbereich der Grenzfläche (10) lenkenden Bereich ein erstes Medium mit einem ersten Brechungsindex (n₁) aufweist und die Metallschicht (7) auf einer dem Optikelement (6) abgewandten Seite unmittelbar oder mittelbar an einen zur Aufnahme eines Messmediums vorgesehenen Probenraum (8) angrenzt und einen zweiten Brechungsindex (n_g) aufweist, wobei zu verschiedenen Zeitpunkten oder während verschiedener Zeitspannen Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge oder in einem unterschiedlichen Wellenlängenbereich von der Strahlungseinheit (2) emittiert und durch das Optikelement (6) auf die Grenzfläche (10) gelenkt wird und dass die Auswerteeinheit (17) unter Berücksichtigung des Detektorsignals einen Ausfallwinkel (Θ_SPR) für einen Teil der reflektierten Strahlung ermittelt, bei dem die Intensität der reflektierten Strahlung ein lokales Minimum annimmt, und unter Zugrundlegung des ermittelten Ausfallswinkels sowie des ersten und des zweiten Brechungsindex (n₁, n_g) eine Dichte des im Probenraum (8) befindlichen Probenmediums (9) bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zeitweise eine Strahlung mit einer Wellenlänge oder in einem Wellenlängenbereich von der Strahlungseinheit (2) emittiert und von dem Optikelement (6) auf die Grenzfläche (10) gelenkt wird, sodass die von der Detektoreinheit (11) empfangene reflektierte Strahlung kein durch ein Oberflächenplasmon verursachtes lokales Minimum der Strahlungsintensität aufweist und dass auf der Grundlage des von der Detektoreinheit (11) bei Empfang von reflektierter Strahlung, die kein durch ein Oberflächenplasmon verursachtes lokales Minimum der Intensität der Strahlung aufweist, erzeugten Detektorsignals, eine Referenzkurve erzeugt wird, um ein lokales Minimum oder lokale Minima der Referenzkurve bei der Ermittlung eines durch ein Oberflächenplasmon verursachten lokalen Minimums der Intensität der reflektierten Strahlung zu berücksichtigen.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zu verschiedenen Zeitpunkten oder in verschiedenen Zeiträumen unterschiedliche Strahlungen von der Strahlungseinheit (2) emittiert und durch das Optikelement (6) auf die Grenzfläche (10) gelenkt werden, deren jeweiligen Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche nicht überlappen.
Messeinrichtung zur Erfassung eines Brechungsindex und/oder einer Dichte eines Messmediums mit einer SPR-Sensoreinheit (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8 und mit einer Auswerteeinheit (17), die zur Übertragung des Detektorsignals drahtlos oder drahtgebunden an die Schnittstelle (16) der Detektoreinheit (11) gekoppelt ist und die eingerichtet ist, um unter Berücksichtigung eines Ausfallwinkels (Θ_SPR) der reflektierten Strahlung, eines lokalen Minimums der Intensität der reflektierten Strahlung sowie des ersten und des zweiten Brechungsindex (n₁, n_g) einen Brechungsindex und/oder eine Dichte des Messmediums zu bestimmen.
Verwendung einer SPR-Sensoreinheit (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, einem Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10 und/oder einer Messeinrichtung nach Anspruch 11 zur Dichtebestimmung von Flüssigkeiten, zur Bestimmung einer Konzentration von Inhaltsstoffen in Süß-, Brack- oder Salzwasser und/oder zur Bestimmung von Inhaltsstoffen, Antigenen und/oder Antikörpern in flüssigem biologischem Material auf dem Gebiet der Medizin, Tiermedizin und/oder Labordiagnostik.