DE4228534C2 - Verfahren zur Analyse einer Fremdsubstanz - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse einer Fremdsubstanz, wie es im Anspruch 1 dargestellt ist.

Neuere optische Methoden der chemischen oder biochemischen Analytik nutzen die besonderen Eigenschaften lichtleitender Filme zur Erkennung und quantitativen Bestimmung von Substanzen. In der Regel wird dabei der Umstand ausgenutzt, daß Licht, das in einer dünnen, hochbrechenden Beschichtung geführt wird, durch seinen sogenannten evaneszenten Feldanteil mit den Substanzen auf dem Film wechselwirkt. Insbesondere werden bei diesen Meßverfahren Fluoreszenzeigenschaften dieser Substanzen genutzt oder die Änderung der Phasengeschwindigkeit des geführten Lichtes aus­ gewertet, die aus der Anlagerung von Substanzen an den lichtleitenden Film resultiert.

Unabhängig von dem Detektionsverfahren ist bei allen diesen Meßprinzipien die Einkopplung des Lichtes in die lichtleitende Beschichtung schwierig. Das Problem besteht insbesondere darin, daß die Dicke dieser Filme sehr klein ist (ca. 0,1 µm... 1 µm). Bei einigen Anwendungsfällen wird außerdem gefordert, daß die Einkopplung des Lichtes - evtl. nach einer chemischen Behandlung vom Anwender durchgeführt werden muß es möglich sein muß, diese Elemente leicht auszutauschen. Die Einkopplung des Lichtes muß also auch ungeschultes Personal problemlos vornehmen können. Weiterhin erfordern diese Anwendungen, daß das optische Element sehr preiswert herstellbar ist, da es unter Umständen nur für eine einmalige Messung eingesetzt wird. Vorrichtungen zur Einkopplung des Lichtes sollten sich daher nicht an der optischen Struktur befinden, sondern in einem Analysegerät vorhanden sein, in das das lichtleitende Element zur Messung eingebracht wird.

Bisher werden verschiedene Verfahren und Einrichtungen zur Lichteinkopplung in dünne, lichtleitende Filme, die sich auf einem Substrat befinden (planarer Wellenleiter), verwendet, die nachstehend anhand der Fig. 5a bis 5c kurz schematisch erläutert werden.

Eine Methode, die in Fig. 5a dargestellt ist, besteht darin, daß das Licht durch die stirnseitige Endfläche des planaren lichtleitenden Films eingebracht wird, indem entweder ein Lichtstrahl auf die Stirnfläche der Wellenleiterprobe fokussiert wird oder eine lichtleitende Faser von dieser Stirnfläche angeordnet wird. Dieses Verfahren erfordert jedoch eine extreme Justiergenauigkeit (Größenordnungen 0,1 µm) und es ist überdies erforderlich, daß die Stirnseite des Wellenleiters speziell bearbeitet sein muß (Kantenpolitur), wodurch die Herstellungskosten beträchtlich erhöht werden, so daß ein derartiges Wellenleiterelement für die vorgesehenen Analysezwecke, die zum Teil den bereits vorerläuterten Einmalgebrauch beinhalten, nicht in Betracht kommt.

Eine Alternative zu der in Fig. 5a dargestellten Lichteinkopplung mittels fokussiertem Lichtstrahl oder einer Lichtleitfaser stirnseitig in den lichtleitenden Film besteht in der Kopplung durch ein Gitter, wie dies in Fig. 5b dargestellt ist. Hierbei werden zwar die Anforderungen an die laterale Positionierung der Wellenleiterprobe bzw. des Lichtstrahles oder der das Licht führenden Lichtleitfaser beträchtlich reduziert, allerdings ist auch hierbei eine hochpräzise Positionierung des einzukoppelnden Lichtes in bezug auf das Gitter erforderlich, da der Winkel, unter dem das einzukoppelnde Licht auf das Gitter eingestrahlt wird, sehr präzise, d. h. in einer Größenordnung von 0,01° eingehalten werden muß. Überdies verlangt diese Form der Einkopplung für das lichtleitende planare Wellenleiterelement die Ausbildung eines Koppelgitters an diesem, so daß wiederum derartige planare Lichtleiter nicht hinreichend kostengünstig zur Verfügung stehen. Ein weiteres, bekanntes Verfahren zur Lichteinkopplung in einen dünnen, lichtleitenden Film auf einem Substrat besteht, wie in Fig. 5c gezeigt, darin, das Licht durch Aufdrücken eines hochbrechenden Prismas auf den lichtleitenden Film des Substrats in diesen einzukoppeln. Der Nachteil dieses Verfahrens im Hinblick auf den eingangs erläuterten Einsatzzweck besteht darin, daß auch hierbei der Einstrahlwinkel des Lichtes hochpräzise eingestellt werden muß (ebenfalls in einer Größenordnung von 0,01°). Diese Einflußgröße ist daher noch nachteiliger anzusehen als die gleichfalls bestehende Abhängigkeit des Koppelwirkungsgrades vom Andruck des Prismas auf den lichtleitenden Film.

Aus der DE 25 03 405 B2 ist ein optischer Koppler bekannt, bei dem die Lichtkopplung mit Hilfe evaneszenter Felder erfolgt, wobei das Licht von einem Faseroptik-Wellenleiter in einen ebenen Wellenleiter eingekoppelt wird. Zur Phasenanpassung findet ein Beugungsgitter Verwendung.

Evaneszent-Sensoren als Niveau-, Flüssigkeits- oder Temperatursensoren sind aus Fiber Optics Handbook for Engineers and Scientists (McGraw-Hill, New York 1989, S. 8.5, 8.6 und 8.29 bis 8.32) bekannt. Kopplungsprobleme sind hierbei allerdings nicht angesprochen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Analyse einer Fremdsubstanz in einem Analysegerät anzugeben, das unter Einsatz eines Sensorelementes, in das Licht eingekoppelt wird, in einfacher Weise ausführbar ist und auch den unkomplizierten Wechsel des optisch arbeitenden Sensorelementes gestattet.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Auf diese Weise kann in einer einmaligen, präzisen Justierung und Lichteinkopplung in diesen Hilfswellenleiter derselbe in einem Analysegerät stationär aufgenommen sein, während die jeweilige Analysenprobe in Gestalt des mit dem zu analysierenden Produkt zumindest teilweise beschichteten planaren Wellenleiters in einer verhältnismäßig einfachen Vorrichtung aufgenommen werden und in Andruckkontakt mit dem Hilfswellenleiter gebracht werden kann. Auf diese Weise sind keinerlei komplizierten Justierungen zur Einkopplung des Lichtes in den planaren, das zu analysierende Produkt tragenden Wellenleiter erforderlich und es bestehen keine besonderen Anforde­ rungen an die Struktur des planaren Wellenleiters. Dieser kann daher sehr kostengünstig hergestellt und in einfacher Weise als Probenträger, gegebenenfalls im Einmalgebrauch, ausgewertet werden.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das einzukoppelnde Licht in einem lichtleitenden Film des eine planare Struktur aufweisenden Hilfswellenleiters (integriert-optisches Element) geführt.

In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das einzukoppelnde Licht in einer Lichtleitfaser geführt werden, deren Ummantelung partiell in einem Einkopplungsbereich zur Freilegung des lichtleitenden Faserkernes abgeschliffen wird.

Vorzugsweise besteht der Hilfswellenleiter aus einem zumindest partiell mit einem lichtleitenden Film versehenen Substrat (Trägermaterial) und werden die lichtleitenden Filme in Druckkontakt miteinander gebracht.

Nach noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Hilfswellenleiter ein Faser-Schliffkoppler mit einer gekrümmten Aufnahmenut, die zumindest partiell in einer planaren Kontaktfläche des Faser-Schliffkopplers ausgebildet ist und in der eine Lichtleitfaser, deren in der Kontaktfläche liegender Abschnitt zum Freilegen des lichtleitenden Faserkernes einseitig poliert ist, aufgenommen ist.

Ein derartiger planarer Hilfswellenleiter oder Faser-Schliffkoppler ist stationärer Teil eines Analysengerätes, während der als Sensorelement verwendete, planare Wellenleiter austauschbar in diesem angeordnet und mit dem Hilfswellenleiter in Druckkontakt bringbar ist.

Nach noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann der planare Wellenleiter oder, sofern der Hilfswellenleiter ebenfalls als planares Dünnschicht-Element ausgebildet ist, zumindest einer der planaren Wellenleiter lateral op­ tisch strukturiert sein, z. B. eine monomodige Streifenleiterstruktur aufweisen.

Weitere, bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind in den übrigen Unteransprüchen dargelegt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Lichteinkopplung in einen dünnen, lichtleitenden Film (planaren Wellenleiter) mit einem Schliffkoppler als Hilfswellenleiter in schematischer Darstellung in Seitenansicht,

Fig. 2 eine Vorrichtung nach Fig. 1 schematisch in perspektivischer Darstellung,

Fig. 3 eine Vorrichtung zur Lichteinkopplung in einen planaren Wellenleiter schematisch in Seitenansicht mit einem ebenfalls als planaren Wellenleiter ausgebildeten Hilfswellenleiter,

Fig. 4 eine Ansicht der Vorrichtung nach Fig. 3 schematisch in perspektivischer Darstellung,

Fig. 5a bis 5c verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Lichteinkopplung in einen planaren Wellenleiter nach dem Stand der Technik.

In den Fig. 1 und 2 wird eine z. B. in einem hier nicht näher dargestellten Analysengerät eingebaute Vorrichtung zur Einkopplung von Licht in einen planaren Wellenleiter gezeigt, der seinerseits ein Sensorelement, z. B. zur Analyse von chemischen oder biochemischen Substanzen, die auf der Oberfläche des planaren Wellenleiters abgelagert sind und in Wechselwirkung mit dem evaneszenten Feld des in dem planaren Wellenleiter geführten Lichtes treten, bildet. Fig. 1 zeigt die Vorrichtung in schematischer Darstellung in der Seitenansicht, während Fig. 2 dieselbe Vorrichtung in perspektivischer Darstellung schematisch verdeutlicht.

Ein planares Substrat 1 ist mit einem lichtleitenden Film 2 beschichtet. Gegebenenfalls kann der planare Wellenleiter 2 auch lateral optisch strukturiert sein und z. B. monomodige Streifenleiter bilden. Der planare Wellenleiter 2 bildet das Sensorelement, das z. B. einem zu analysierenden Gas oder anderen chemischen oder biochemischen Substanzen ausgesetzt wurde und im Anschluß dessen in ein hier nicht näher dargestelltes Analysengerät eingesetzt wird, um aus der Einwirkung der Substanz auf die Lichtleitung des geführten Lichtes innerhalb des lichtleitenden Filmes 2, z. B. in bezug auf die Änderung der Phasengeschwindigkeit des in den lichtleitenden Film eingekoppelten Lichtes, auf die qualitativen und/oder quantitativen Eigenschaften der zu analysierenden Substanzen zu schließen.

Stationärer Teil eines hier nicht näher dargestellten Analysengerätes ist als Hilfswellenleiter ein Faser-Schliffkoppler 3, der, wie genauer aus Fig. 2 ersichtlich, eine lichtleitende Faser 4 aufnimmt, die in eine gebogene Nut des Faser-Schliffkopplers 3 eingelegt wird, wobei diese Nut partiell in einer unteren Oberfläche 3a des Faser-Schliffkopplers 3 mündet. Der gebogene Teil der Lichtleitfaser 4 wird durch seitliches Polieren lokal und partiell von seiner Ummantelung befreit, so daß der lichtleitende Faserkern freigelegt ist und sich praktisch in der Ebene der unteren Kopplungsfläche 3a des Faser-Schliffkopplers 3 befindet. Der Faser-Schliffkoppler 3 mit der lichtführenden Faser 4 wird mit einer bestimmten Andruckkraft gegen den planaren Wellenleiter 2 mit dem Substrat 1 angedrückt. Je nach konstruktiver Gestaltung kann dieser Vorgang selbstverständlich bei stationärer Halterung des Faser-Schliffkopplers 3 auch umgekehrt erfolgen, so daß der die zu analysierende Probe tragende planare Wellenleiter 2 gegen den ortsfest gehaltenen Faser-Schliffkoppler 3 angedrückt wird. Durch das evaneszente Feld des in der Faser 4 als Hilfswellenleiter geführten Lichtes wird dieses in den planaren Wellenleiter 2 übergekoppelt, wobei beide Lichtleiter 4 bzw. 2 an der Kopplungsstelle nicht beschichtet oder ummantelt sind, so daß durch ein verhältnismäßig leichtes Andrücken der Lichtleiter 4, 2 gegeneinander eine Überkopplung des Lichtes in den planaren Wellenleiter 2 herbeigeführt wird. Als einzige variable Größe, die die Koppeleffizienz und den Wirkungsgrad der Lichteinkopplung beeinflußt, verbleibt bei dieser Art der Kopplung der Andruck der beiden Lichtleiter 4, 2 gegeneinander. Diese Andruckkraft ist erheblich leichter zu optimieren als die extrem kritischen Lagepositionierungen, die bei den herkömmlichen Verfahren nach dem Stand der Technik (vgl. Fig. 5a bis 5c) erforderlich sind. Diese Optimierung der Andruckkraft kann bei gleichzeitiger Detektion des eingekoppelten Lichtes in der Faser 4 auch leicht automatisiert werden. Das Substrat 1 mit dem planaren Wellenleiter 2 kann jeweils leicht ausgewechselt werden. Da der lichtleitende Film 2 gegenüber der Faser 4 des Hilfswellenleiters sehr breit sein kann (Größenordnung 1 cm), ist die Positionierung der Faser 4 unkritisch. Es ist andererseits bei einer im Rahmen der dargestellten Kopplung dennoch verhältnismäßig niedrigen Genauigkeitsanforderung an eine Lateralpositionierung auch möglich, auf diese Weise Licht in lateral strukturierte, planare Wellenleiter einzukoppeln.

Auf diese Weise kann Licht ohne aufwendige Präzisionspositionierung in einen planaren Wellenleiter oder mehrere Wellenleiter eingekoppelt werden, wobei auch an den planaren Wellenleiter selbst keinerlei erhöhte Anforderungen bestehen, so daß dieser als Massenartikel herstell- und verwendbar ist.

Zwar verbleibt auch bei dieser Lösung das Problem der Lichteinkopplung in den Hilfswellenleiter (lichtleitende Faser 4), die entsprechende Problemlösung ist jedoch in das Analysengerät selbst verlagert, wobei dort durch die stationäre Halterung des Hilfswellenleiters, hier des Faser- Schliffkopplers 3, eine stabile und auch entsprechend genaue Positionierung zwischen Lichtquelle und Faser keine besonderen Schwierigkeiten bereitet und überdies nur einmal durch den Gerätehersteller justiert werden muß.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Fig. 3 und 4 erläutert. Hierbei dient als Hilfswellenleiter seinerseits ein planarer Wellenleiter 6, der als dünner lichtleitender Film auf einem Substrat 5 aufgebracht ist. Auch in diesem Fall kann der Hilfswellenleiter 6 mit seiner zugehörigen Lichteinkopplung stationär in einem Analysengerät unter entsprechend hochgenauer Einmalpositionierung für die Lichteinkopplung aufgenommen sein, während das die zu analysierende Probe tragende Sensorelement (planarer Wellenleiter 2 auf Substrat 1) austauschbar in das hier nicht dargestellte Analysengerät eingesetzt wird und lediglich durch Steuerung des Andruckes bzw. der Andruckkraft zwischen dem planaren Wellenleiter 2 und dem Hilfswellenleiter 6 eine unkomplizierte Einkopplung des Lichtes aus dem Hilfswellenleiter 6 in den planaren Wellenleiter 2 ermöglicht ist. Zumindest im Kopplungsbereich A (s. Fig. 3) sind sowohl der planare Hilfswellenleiter 6 als auch der planare Wellenleiter 2 (Sensorelement) unbeschichtet, so daß eine entsprechende Überkopplung durch das evaneszente Feld des in dem Hilfswellenleiter 6 geführten Lichtes in den planaren Wellenleiter 2 erfolgen kann. Sowohl der Hilfswellenleiter 6 als auch der planare Wellenleiter 2 (Sensorelement) können lateral unstrukturiert sein; es ist jedoch auch möglich, den Hilfswellenleiter 6 und/oder den planaren Wellenleiter 2 optisch lateral strukturiert auszuführen, um so eine lateral diskrete Kopplung oder Lichtleitung, z. B. bei der Verwendung des planaren Wellenleiters 2 als Mehrfachsensor, zu erreichen.

Lediglich aus Gründen deutlicher Darstellung wurde in den Figuren (z. B. Fig. 3) der Hilfswellenleiter separiert von dem planaren Wellenleiter 2 (Sensorelement) dargestellt. Tatsächlich wurden, wie erläutert, beide Wellenleiter mit einer bestimmten Andruckkraft (s. Pfeile B in Fig. 3) gegeneinandergedrückt.

Im übrigen gelten die Erläuterungen zu dem ersten Ausführungsbeispiel auch für diese zweite Ausführungsform.

Claims (4)

1. Verfahren zur Analyse einer Fremdsubstanz durch Erfassen von Wechselwir­ kungen der Fremdsubstanz mit einem benachbarten planaren Wellenleiter (2), der aus einem dünnen, lichtleitenden Film besteht und ein Sensorelement bildet, in das das in einem Hilfswellenleiter (4; 6) geführte, einzukoppelnde Licht mit Hilfe des evaneszen­ ten Feldes dieses Lichtes eingekoppelt wird, wobei der Hilfswellenleiter (4; 6) stationär in einem Analysegerät aufgenommen ist und der planare Wellenleiter (2) in lösbaren Andruckkontakt mit dem Hilfswellenleiter (4; 6) gebracht wird, und wobei durch Steuerung der Andruck­ kraft zwischen dem planaren Wellenleiter (2) und dem Hilfswellenleiter (4; 6) der Kopplungsgrad zwischen den beiden Wellenleitern (2, 4; 6) durch Steuerung der An­ druckkraft, mit der Wellenleiter (2) und Hilfswellenleiter (4; 6) gegeneinander gedrückt werden, optimiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das einzukop­ pelnde Licht in einem planaren Hilfswellenleiter (6) geführt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das einzukop­ pelnde Licht in einer Lichtleitfaser (4) geführt wird, deren Ummantelung partiell in ei­ nem Einkopplungsbereich zur Freilegung des lichtleitenden Faserkernes abgeschliffen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der lichtleitenden Filme lateral optisch strukturiert ist.