EP0551456A1 - Optical process for the selective detection of specific substances in chemical, biochemical and biological measuring samples - Google Patents

Optical process for the selective detection of specific substances in chemical, biochemical and biological measuring samples

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Publication number
EP0551456A1
EP0551456A1 EP92912252A EP92912252A EP0551456A1 EP 0551456 A1 EP0551456 A1 EP 0551456A1 EP 92912252 A EP92912252 A EP 92912252A EP 92912252 A EP92912252 A EP 92912252A EP 0551456 A1 EP0551456 A1 EP 0551456A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensitive
chemo
light field
grating
diffraction grating
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP92912252A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Kurt Tiefenthaler
Véronique BRIGUET
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Artificial Sensing Instruments ASI AG
Original Assignee
Artificial Sensing Instruments ASI AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Artificial Sensing Instruments ASI AG filed Critical Artificial Sensing Instruments ASI AG
Publication of EP0551456A1 publication Critical patent/EP0551456A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/75—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
    • G01N21/77—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
    • G01N21/7703—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator using reagent-clad optical fibres or optical waveguides
    • G01N21/774—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator using reagent-clad optical fibres or optical waveguides the reagent being on a grating or periodic structure
    • G01N21/7743—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator using reagent-clad optical fibres or optical waveguides the reagent being on a grating or periodic structure the reagent-coated grating coupling light in or out of the waveguide
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03—Cuvette constructions
    • G01N2021/0385—Diffusing membrane; Semipermeable membrane

Definitions

  • the present invention relates to a method for the selective detection of specific substances in a measurement sample by determining changes in the effective refractive index with a grating coupler according to the preamble of claim 1
  • Lattice coupling is a known method for exciting a guided mode in an optical waveguide. If the diffraction grating is operated as an integrated optical sensor, the effective refractive index (in the grating area) changes as a result of the sensor experiment, i.e. for example as a result of the coupling of the specific substances to the chemo-sensitive waveguide. This change in the effective refractive index can be sensed in a variety of ways.
  • WO 86 07149 US-A4,815, 843 describes a few of these possibilities, for example it is proposed to measure the intensity of an uncoupled diffraction order with a photodiode in order to determine effective changes in refractive index. This type of measurement has a small dynamic range and requires movable mechanics to adjust the coupling angle and is also sensitive to light intensity fluctuations that come from the light source.
  • the grid- Coupling element should be able to be used in diagnostics as a disposable sensor chip ( 1 ) and must therefore be able to be manufactured very cheaply in terms of production technology, so that surface treatment of the end face of the grating coupling element is out of the question.
  • sol-gel layers are used as wave-guiding films, which are always microporous. Microporous layers cause the sensor signal to drift due to water sorption and, because of their structure, are unsuitable for achieving extremely high refractive indices and thus increased sensitivity.
  • a multidiffractive grating structure is defined in such a way that after the incidence of a coherent light beam on the multidiffractive grating structure, light beams diffracted such that the light beams diffracted directly at the multidiffractive grating structure are generated by the excitation decoupled light beams are separated angularly.
  • the invention solves the problem of creating a method which allows the effective changes in refractive index to be sensed without the use of movable mechanics.
  • an incident fan-shaped light field and an extensive homogeneous diffraction grating with weak coupling an incident converging wave leaves the grating as a diffracted diffracted wave; a guided mode leaves the grating approximatively as a plane wave when the coupling is weak
  • a position-sensitive detector in a diffracted light field having a bright light spot in particular dependencies on movable mechanics, expensive optical surface treatments and fluctuations in light intensity are avoided.
  • Figure 1 shows a measuring device for performing the method.
  • Figure 2 shows a measuring device with a lens and an aperture.
  • FIG. 3 shows a measuring device which, thanks to multiple mirroring of the beam path, has a compact structure.
  • FIG. 4 shows a measuring device for a biochemical application including a cuvette.
  • FIG. 5 shows an expanded measuring device which enables coupling in both directions of propagation and thus also the absolute measurement of the effective refractive index.
  • a grating coupler 10 contains a substrate 2 (for example made of plastic or glass) and a porous or non-porous waveguiding film 3 connected therewith (made of Zr0 2 , Nb0 5 , Ti0 2 , Ta 2 0 5 or other high-density films, for example) materials with, for example, a refractive index above 2.0) as the waveguide 1 and a diffraction grating 4, with either the film 3 itself being selected chemically sensitive or this being provided with a chemically sensitive substance 14 (see FIG. 2) and the grating 4 at the upper or lower boundary surface of the waveguiding film 3 can be arranged.
  • Vacuum coating methods are mainly used to produce highly refractive, non-porous, waveguiding films 3.
  • a light beam 5 from a monochromatic light source (not shown), which is directed onto the grating 4, can be coupled in via the grating 4 or coupled out via the same grating 4, the coupling angle ⁇ - * being determined by the coupling equation
  • N sine., ⁇ 1 ( ⁇ / ⁇ ) are given.
  • N is the effective refractive index of the guided mode
  • ⁇ - the coupling or decoupling angle
  • 1 the associated diffraction order (+1 describes the coupling equation, -1 the coupling equation)
  • ⁇ the wavelength
  • ⁇ the grid period.
  • a fan-shaped light field 6 in the plane of incidence is directed onto the grating 4, the focus of this fan-shaped light field 6 preferably being directly on the grating structure.
  • the grating coupler 10 can also be illuminated with a small opening angle, angularly adjustable fan-shaped light field 6, without the position of the illuminated grating position shifting. This ensures a sufficiently high light intensity of the guided mode 16.
  • the angular adjustment of the fan-shaped light field 6 can be carried out, for example, with the aid of an electromagnetic mirror, as used in the Philips video disk players, and a lens, in that the lens is arranged between the electromagnetic mirror and the grating coupler 10 such that the focus of an incident one is imaged on the electromagnetic mirror-focused fan-shaped light field through the lens onto the diffraction grating 4.
  • an electromagnetic mirror as used in the Philips video disk players
  • a lens in that the lens is arranged between the electromagnetic mirror and the grating coupler 10 such that the focus of an incident one is imaged on the electromagnetic mirror-focused fan-shaped light field through the lens onto the diffraction grating 4.
  • a mirror rotation leads to an angular change in the fan-shaped light field 6 focused on the diffraction grating 4, but not to a shift in the position of the illuminated grating point.
  • the guided mode 16 becomes longer Coupled out distance, which is also referred to as the coupling length, so that the decoupled Lichtfeider 17, 20 approximate plane waves (see Figures 2 and 3).
  • These outcoupled light fields 17, 20 are thus inevitably offset laterally by the order of magnitude of the coupling length compared to the directly captured light fields 8, 9, 11.
  • the weak coupling guarantees both spatial and spatial frequency separation of the coupled-out light fields 17, 20 from the directly diffracted light fields 8, 9, 11 Weak coupling is achieved, for example, by keeping the modulation of the diffraction grating 4 small.
  • FIG. 2 there is a position-sensitive detector 7 in the area of a light field 9 of a diffraction order that is not coupled in or emitted by the grating.
  • a light field 17 which is produced by the coupling of the guided mode 16 on the grating 4
  • the coupling angle ⁇ -,... Changes according to the coupling equation, which results in a shift of the bright light spot 12 in the light field 9.
  • This displacement of the light spot 12 can be registered with the position-sensitive detector 7.
  • This type of registration is independent of fluctuations in the light intensity of the decoupled light field 17 and the directly diffracted light field 9.
  • a position-sensitive detector such as, for example, the S3979 from Hamamatsu
  • the intensity of a light spot can also be determined in addition to the position 12 and thus indirectly also the intensity of the guided mode 16 can be measured.
  • a convex lens 18 is preferably placed between the diffraction grating 4 and the position-sensitive detector 7 such that the light field 17, which is approximately coupled out as a plane wave, is focused on the position-sensitive detector 7.
  • the position-sensitive detector 7 is thus located in the focal plane of the lens 18. Since the directly diffracted light field 9 is radiated in a fan shape, this light field appears in the focal plane of the lens 18 as an unfocused light distribution and therefore does not impair the position determination of the focused and coupled-out light field 17 generated light spots 12.
  • this aperture 19 is placed between the diffraction grating 4 and the lens 18, preferably in the immediate vicinity of the grating coupler 10, where the decoupled light field 17 is spatially separated from the directly diffracted light field 9 thanks to weak coupling, since the decoupled light field 17 radiates in a fan-shaped manner
  • Light field 9 is always laterally offset by the order of magnitude of the coupling. It can thus be achieved with a diaphragm 19 that the light field 9 is at least partially blocked off without disturbing the decoupled light field 17.
  • the position-sensitive detector 7 is placed in the directly transmitted or reflected light field 8, 11, the use of a diaphragm 19 is strongly recommended in order to avoid illuminating the position-sensitive detector 7 with the intensive, directly transmitted or reflected light field 8, 11 ( see Figure 3).
  • the light beam paths are preferably at least partially protected from air turbulence and temperature fluctuations in the environment, so that the noise caused by these disturbances in the position of the light spot 12 is suppressed and consequently the resolving power of the measuring apparatus is improved.
  • tubes or solid transparent media e.g. made of glass or plastic
  • Transparent media with very low temperature and thermal expansion coefficients for example made of quartz or Zerodur, are preferably used.
  • the extent of the measuring arrangement can be reduced by reflecting the light beam paths.
  • mirrors 22 can be attached to the surface of a transparent body 21 having a small temperature or thermal expansion coefficient, which is placed between grating coupler 10 and position-sensitive detector 7 in such a way that the outcoupled light field 17, 20 moves in or out multiple reflection hits the position-sensitive detector 7.
  • This body whose entry and exit surfaces relevant to the beam path are preferably provided with an anti-reflective layer 23, simultaneously protects the beam path against air turbulence.
  • Chemosensitive waveguide and grating period must be configured such that the guided mode 16 does not experience any Bragg reflection during the measurement of the change in the effective refractive index. For example, this is achieved in that the light field 17 producing the bright light spot 12 does not leave the diffraction grating 4 vertically.
  • the generation of a retroreflected mode causes interference.
  • the retroreflected mode can also be coupled out approximately in the form of a plane wave and form a second light spot on the position-sensitive detector 7.
  • the measuring method according to the invention is particularly interesting for bioanalytics.
  • the detection of an immunochemical reaction may be mentioned as an example.
  • FIG. 4 there is an antibody or antigen layer on the grid 4, which in this case corresponds to the chemo-sensitive substance 14.
  • the Liquid measurement sample 13 with the antigen or antibody is injected into the cuvette 15 or drawn in via capillary action.
  • the coupling of the two immunological partners causes a change in the effective refractive index and thus a shift in the light spot 12 on the position-sensitive detector 7.
  • it is advantageous to use a cuvette with a cuvette depth of less than 500 ⁇ to use see Phil. Trans. R. Soc. Lond. B 316, 143-160 (1987)).
  • the measuring principle can also be used for other binding-specific partners.
  • the measuring principle can also be used in connection with a "competition assay” or “sandwich assay”.
  • Binding-capable macromolecules or beads made of plastic (polystyrene, latex), high-index glass (Ti0 2 , LiNb0 3 , glass) or metal (gold, titanium, aluminum) are often used for signal amplification, which are also known in the literature as a 'refractive index label''are designated.
  • These binding 'refractive index labels' can be bound reversibly as well as irreversibly and form a third reagent in addition to the immobilized binary substance 14 and the substance to be detected. It is also conceivable, for example, that the 'refractive index label' is located on the cell wall opposite the grid 4 and does not dissolve until the liquid measurement sample is drawn in.
  • Other assays can also be performed with three reagents.
  • the method according to the invention can also be used generally for the detection of reactions taking place on or in the chemo-sensitive waveguide 1 due to the specific substance.
  • a change in refractive index can occur when an substrate is converted by an enzyme immobilized on the waveguiding film 3.
  • the substrate forms the specific substance and the enzyme forms the chemo-sensitive substance 14.
  • enzyme can also lead to the formation of an insoluble product which is deposited on the surface of the chemo-sensitive waveguide 1.
  • the chemo-sensitive substance 14 consists, for example, of a membrane
  • reactions taking place in or on the membrane can cause the distance of the membrane from the waveguiding film 3 or the structure or the thickness of this membrane to change due to the specific substance.
  • This method represents an amplification mechanism so that small molecules to be detected can also cause major changes in the effective refractive index.
  • the cuvette wall opposite the diffraction grating 4 should preferably consist of a material that is light-absorbing and / or has a reflection that is as small as possible in order to suppress disturbing reflections.
  • the guided mode 16 relevant for the measurement should lie completely below the measurement sample 13, so that the guided mode 16 does not cross the boundary of the measurement sample 13 defined by the measurement sample 13 and chemo-sensitive waveguide 1 as a closed line.
  • a deep refractive layer 2 ' between the substrate 2 and the waveguiding film 3 (see FIG. 4).
  • This deep refractive layer 2 ' should possibly be structurable. If a microporous deep refractive layer 2 'is covered with a non-porous wave-guiding film 3, no water sorption can take place in the micropores of the deep refractive layer 2'.
  • the proposed measurement setup can also be expanded in such a way that a mode 16 'is excited with a second fan-shaped light field 6' in the direction of propagation opposite to mode 16, as a result of this mode 16 ' Decoupling in the diffracted fan-shaped light field 9 'produces a bright light spot 12' and the change in the effective refractive index of this second mode 16 'is measured via the displacement of the light spot 12' with a second position-sensitive detector 7 '.
  • the two fan-shaped light fields 6 and 6 ' can strike the grating 4 at the same time or in a multiplex process.
  • the autocollimation angle can be calculated via the resonance incidence angle for mode excitation in the forward and backward directions, and the effective refractive index can thus be determined quantitatively. Since the coupling angle and the coupling angle are of the same magnitude for both directions of propagation and in the measuring device (see FIG. 1) the coupling angle o. *
  • the change in the effective refractive index due to the incubation can be measured since the effective refractive index is recorded quantitatively.
  • the autocollimation angle position is determined in each case from the two positions of the light spots 12 and 12 'on the corresponding position-sensitive detectors 7 and 7'. Minor angular repositioning errors when inserting the grating coupler 10 into the expanded measuring device thus play practically no role.
  • the method according to the invention can be operated in a simple manner using an honor channel, since the measuring method represents a reflection method.
  • several grids, grating strips or larger 2-dimensional grids can be used.
  • the various lattice regions with different chemo-sensitive ones then become Substances 14 occupied.
  • One of these channels can also be operated as a reference channel, for example.
  • the bright light spot 12 in FIG. 1 corresponds to a dark spot 12 "and can be observed in the light fields 8, 9, 11 of the non-coupled diffraction orders, especially in the zeroth reflected diffraction order
  • the absorptive waveguide 1 means that the coupled-in light can no longer decouple, but rather that the energy is consumed in the absorptive waveguide 1. This light is then missing in the diffraction orders that are not coupled in or emitted and thus produce the dark spot 12 "in the light fields 8, 9, 11.
  • a strong coupling is advantageous here.
  • the position-sensitive detector 7 must be designed such that the position of the dark spot 12 "can be registered. This type of registration can be carried out, for example, with a photo diode array.

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Abstract

Un procédé permet de détecter sélectivement des substances dans des échantillons chimiques, biochimiques et biologiques de mesure (13) par détermination de modifications de l'indice de réfraction effectif d'un mode exécuté (16) au moyen d'un coupleur à grille (10). La grille (4) du coupleur à grille (10) est éclairée par un champ de lumière (6) en éventail, un mode (16) est excité puis, suite à un faible couplage, est émis presque en onde plate (17). Un détecteur (7) sensible à la position est situé dans le champ de lumière (9) d'un ordre diffracté, ce qui permet de mesurer le déplacement d'un point clair de lumière (12) formé par le champ de lumière émis (17).A method for selectively detecting substances in chemical, biochemical and biological measurement samples (13) by determining changes in the effective refractive index of an executed mode (16) using a gate coupler (10). ). The gate (4) of the gate coupler (10) is illuminated by a fan light field (6), a mode (16) is energized and then, due to weak coupling, is emitted almost in flat wave (17). A position-sensitive detector (7) is located in the light field (9) of a diffracted order, thereby measuring the displacement of a bright point of light (12) formed by the emitted light field ( 17).

Description

Optisches Verfahren zum selektiven Nachweis von spezifischen Substanzen in chemischen, biochemischen und biologischen MessprobenOptical method for the selective detection of specific substances in chemical, biochemical and biological measurement samples
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum selek tiven Nachweis von spezifischen Substanzen in einer Messprobe durch Bestimmung von Aenderungen der effektiven Brechzahl mit einem Gitterkoppler nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1The present invention relates to a method for the selective detection of specific substances in a measurement sample by determining changes in the effective refractive index with a grating coupler according to the preamble of claim 1
Die Gitterkopplung ist eine bekannte Methode, um in einem Lichtwellenleiter einen geführten Mode anzuregen. Wird das Beugungsgitter als integriert optischer Sensor betrieben, so ändert sich die effektive Brechzahl (im Gitterbereich) infolge des Sensorexperiments, d.h. beispielsweise infolge der Kopplun der spezifischen Substanzen an den chemoempfindlichen Wellen¬ leiter. Diese Aenderung der effektiven Brechzahl kann auf ver¬ schiedenste Weise abgetastet werden. In WO 86 07149 (US-A4,815, 843) sind ein paar dieser Möglichkeiten beschrieben, beispiels weise wird vorgeschlagen, zur Bestimmung von effektiven Brech¬ zahländerungen die Intensität einer nicht eingekoppelten Beu¬ gungsordnung mit einer Photodiode zu messen. Diese Art der Messung hat einen kleinen dynamischen Bereich und benötigt bewegliche Mechanik zur Einstellung der Kopplungswinkel und is zudem empfindlich auf Lichtintensitätsschwahkungen, die von de Lichtquelle herrühren.Lattice coupling is a known method for exciting a guided mode in an optical waveguide. If the diffraction grating is operated as an integrated optical sensor, the effective refractive index (in the grating area) changes as a result of the sensor experiment, i.e. for example as a result of the coupling of the specific substances to the chemo-sensitive waveguide. This change in the effective refractive index can be sensed in a variety of ways. WO 86 07149 (US-A4,815, 843) describes a few of these possibilities, for example it is proposed to measure the intensity of an uncoupled diffraction order with a photodiode in order to determine effective changes in refractive index. This type of measurement has a small dynamic range and requires movable mechanics to adjust the coupling angle and is also sensitive to light intensity fluctuations that come from the light source.
Ferner ist aus WO 88 10418 (EP-A-0321523) und WO 90 08318 (EP-A-0404900) bekannt, das Beugungsgitter mit Licht aus ver¬ schiedener Richtung zu beleuchten.It is also known from WO 88 10418 (EP-A-0321523) and WO 90 08318 (EP-A-0404900) to illuminate the diffraction grating with light from various directions.
In Sensors and Actuators B1 (1990), 585 - 588 und in SPIE Vol 1141 (1989), 192 - 200 wird ein Gitterkopplersensor ba¬ sierend auf Gitterauskopplung beschrieben, wobei die Modenan¬ regung stirnseitig erfolgt und inhomogene Beugungsgitter (mit taperförmigem Verlauf der Modulation), deren Herstellung in Optics Letters 8 (1983), 537 - 539 beschrieben wird, zur Anwen¬ dung gelangen. Einkopplung und Auskopplung geschehen somit über zwei getrennte und verschiedene Kopplungsmittel. Stirnseitige Einkopplung verlangt glatte optische Flächen, die in einer Massenfertigung praktisch nicht herstellbar sind. Das Gitter- kopplungselement soll in der Diagnostik als Wegwerfsensor ('disposable sensor chip1 ) eingesetzt werden können und muss deshalb fertigungstechnisch sehr billig herstellbar sein, so dass eine Oberflächenbehandlung der Stirnseite des Gitter¬ kopplungselements nicht in Frage kommt. Ferner werden in oben zitierten Publikationen Sol-Gel Schichten als wellenleitende Filme verwendet, die immer mikroporös sind. Mikroporöse Schich¬ ten verursachen einen Drift des Sensorsignals aufgrund von Wassersorption und sind aufgrund ihres Aufbaus für das Erreichen extrem hoher Brechzahlen und damit erhöhter Empfindlichkeiten ungeeignet.In Sensors and Actuators B1 (1990), 585 - 588 and in SPIE Vol 1141 (1989), 192 - 200 a grating coupler sensor is described based on grating decoupling, the mode excitation taking place on the face side and inhomogeneous diffraction gratings (with a tapered course of the modulation ), the production of which is described in Optics Letters 8 (1983), 537-539, are used. Coupling and decoupling thus take place via two separate and different coupling means. Front coupling requires smooth optical surfaces that are practically impossible to manufacture in mass production. The grid- Coupling element should be able to be used in diagnostics as a disposable sensor chip ( 1 ) and must therefore be able to be manufactured very cheaply in terms of production technology, so that surface treatment of the end face of the grating coupling element is out of the question. Furthermore, in the publications cited above, sol-gel layers are used as wave-guiding films, which are always microporous. Microporous layers cause the sensor signal to drift due to water sorption and, because of their structure, are unsuitable for achieving extremely high refractive indices and thus increased sensitivity.
Aus WO 86 07 149 ist bekannt, dass die Modenanregung bzw. Lichteinkopplung auch über ein separates (zweites) Gitter erfol¬ gen kann, was sicherlich eine Verbesserung gegenüber der Stirn¬ flächenkopplung darstellt. Die Doppelgitteranordnung ist keine reine periodische Struktur, da die Plazierung zweier separater Gitter ein diskreter Schritt darstellt. Somit werden für die Einkopplung und Auskopplung zwei getrennte jedoch gleichartige Kopplungsmittel eingesetzt. Auch in diesem Fall ist für die Modenanregung eine genaue Positionierung des zweiten Beugungs¬ gitters, d.h. des Einkopplungsgitters, gegenüber dem einfallen¬ den Lichtstrahl notwendig. Verschiebungen dieser Doppelgitter¬ anordnung sind somit unzulässig. Fertigungstechnisch ist die Herstellung einer rein periodischen Struktur (d.h. eines einzigen ausgedehnten homogenen Gitters bzw. einer unidiffrakti- ven GitterStruktur) am einfachsten zu realisieren. Zudem ist bei der rein periodischen Gitterstruktur die genaue Positionierung gegenüber dem einfallenden Lichtstrahl keine Notwendigkeit. Multidiffraktive Gitterstrukturen, wie sie in EP 0455 067 erwähnt werden, sind wiederum bereits kompliziertere Strukturen. Gemäss EP 0455 067 ist eine multidiffraktive Gitterstruktur derart definiert, dass nach dem Einfall eines kohärenten Licht¬ strahls auf die multidiffraktive Gitterstruktur derart gebeugte Lichtstrahlen entstehen, dass die direkt an der multidiffrakti- ven Gitterstruktur gebeugten Lichtstrahlen von den über Moden- anregung ausgekoppelten Lichtstrahlen winkelmässig getrennt sind.From WO 86 07 149 it is known that the mode excitation or light coupling can also take place via a separate (second) grating, which is certainly an improvement compared to the end face coupling. The double grid arrangement is not a purely periodic structure, since the placement of two separate grids is a discrete step. Thus, two separate but similar coupling means are used for coupling and decoupling. In this case too, precise positioning of the second diffraction grating, ie the coupling-in grating, with respect to the incident light beam is necessary for the mode excitation. Movements of this double grid arrangement are therefore not permitted. In terms of manufacturing technology, the simplest way to implement a purely periodic structure (ie a single extended homogeneous lattice or a unidiffractive lattice structure). In addition, with the purely periodic lattice structure, the exact positioning in relation to the incident light beam is not necessary. Multi-diffractive lattice structures, as mentioned in EP 0455 067, are in turn already more complicated structures. According to EP 0455 067, a multidiffractive grating structure is defined in such a way that after the incidence of a coherent light beam on the multidiffractive grating structure, light beams diffracted such that the light beams diffracted directly at the multidiffractive grating structure are generated by the excitation decoupled light beams are separated angularly.
Die Erfindung, wie sie in dem Patentanspruch 1 gekenn¬ zeichnet ist, löst die Aufgabe, ein Verfahren zu schaffen, welches die Abtastung der effektiven Brechzahländerungen ohne Einsatz beweglicher Mechanik erlaubt.The invention, as it is marked in claim 1, solves the problem of creating a method which allows the effective changes in refractive index to be sensed without the use of movable mechanics.
Durch die Verwendung eines einfallenden fächerförmigen Lichtfeldes und eines ausgedehnten homogenen schwache Kopplung aufweisenden Beugungsgitters (eine einfallende konvergierende Welle verlasst das Gitter als gebeugte divergierende Welle; ei geführter Mode verlasst bei schwacher Kopplung das Gitter approximativ als ebene Welle) sowie durch die Verwendung eines positionsempfindlichen Detektors in einem gebeugten einen hell Lichtfleck aufweisenden Lichtfeld werden insbesondere Abhän¬ gigkeiten von beweglicher Mechanik, teuren optischen Oberflä¬ chenbehandlungen und Lichtintensitätsschwankungen vermieden.By using an incident fan-shaped light field and an extensive homogeneous diffraction grating with weak coupling (an incident converging wave leaves the grating as a diffracted diffracted wave; a guided mode leaves the grating approximatively as a plane wave when the coupling is weak) and by using a position-sensitive detector in a diffracted light field having a bright light spot, in particular dependencies on movable mechanics, expensive optical surface treatments and fluctuations in light intensity are avoided.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näh erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to drawings.
Figur 1 zeigt eine Messvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.Figure 1 shows a measuring device for performing the method.
Figur 2 zeigt eine Messvorrichtung mit einer Linse und ein Blende.Figure 2 shows a measuring device with a lens and an aperture.
Figur 3 zeigt eine Messvorrichtung, die dank mehrfacher Spiegelung des Strahlengangs einen kompakten Aufbau aufweist.FIG. 3 shows a measuring device which, thanks to multiple mirroring of the beam path, has a compact structure.
Figur 4 zeigt eine Messvorrichtung für eine biochemische Applikation unter Einbezug einer Küvette. Figur 5 zeigt eine erweiterte Messvorrichtung, die die Einkopplung in beiden Ausbreitungsrichtungen und damit auch die Absolutmessung der effektiven Brechzahl ermöglicht.FIG. 4 shows a measuring device for a biochemical application including a cuvette. FIG. 5 shows an expanded measuring device which enables coupling in both directions of propagation and thus also the absolute measurement of the effective refractive index.
Gemäss Figur 1 enthält ein Gitterkoppler 10 ein Substrat 2 (beispielsweise aus Kunststoff oder Glas) und einen damit ver¬ bundenen porösen oder nicht porösen wellenleitenden Film 3 (aus beispielsweise Zr02, Nb05, Ti02, Ta205 oder anderen hochbre¬ chenden Materialen mit beispielsweise einer Brechzahl über 2.0) als Wellenleiter 1 sowie ein Beugungsgitter 4, wobei entweder der Film 3 selbst chemoempfindlich gewählt oder dieser mit einer chemoempfindlichen Substanz 14 versehen wird (siehe Figur 2) und das Gitter 4 an der oberen oder unteren Grenzfläche des wellen¬ leitenden Films 3 angeordnet sein kann. Zur Herstellung hoch¬ brechender nicht poröser wellenleitender Filme 3 werden haupt¬ sächlich Vakuumbeschichtungsmethoden eingesetzt.According to FIG. 1, a grating coupler 10 contains a substrate 2 (for example made of plastic or glass) and a porous or non-porous waveguiding film 3 connected therewith (made of Zr0 2 , Nb0 5 , Ti0 2 , Ta 2 0 5 or other high-density films, for example) materials with, for example, a refractive index above 2.0) as the waveguide 1 and a diffraction grating 4, with either the film 3 itself being selected chemically sensitive or this being provided with a chemically sensitive substance 14 (see FIG. 2) and the grating 4 at the upper or lower boundary surface of the waveguiding film 3 can be arranged. Vacuum coating methods are mainly used to produce highly refractive, non-porous, waveguiding films 3.
Ein Lichtstrahl 5 einer nicht dargestellten mono¬ chromatischen Lichtquelle, der auf das Gitter 4 gerichtet ist, kann über das Gitter 4 eingekoppelt bzw. über dasselbe Gitter 4 ausgekoppelt werden, wobei die Kopplungswinkel α-* durch die KopplungsgleichungA light beam 5 from a monochromatic light source (not shown), which is directed onto the grating 4, can be coupled in via the grating 4 or coupled out via the same grating 4, the coupling angle α- * being determined by the coupling equation
N = sine., ± 1 (λ/Λ) gegeben sind. Dabei sind: N die effektive Brechzahl des geführ¬ ten Modes; α-, der Ein- bzw. Auskopplungswinkel; 1 die dazuge¬ hörige BeugungsOrdnung (+1 beschreibt die Einkopplungsgleichung, -1 die Auskopplungsgleichung); λ die Wellenlänge; Λ die Gitter¬ periode. Durch Wahl der entsprechenden Polarisation für den Lichtstrahl 5 können in an sich bekannter Weise sowohl TE-Moden als auch TM-Moden angeregt werden. Der Einkopplungs- bzw. Aus¬ kopplungswinkel ist die Differenz von Resonanzeinfalls- bzw. Resonanzausfallswinkel und Autokollimationswinkel.N = sine., ± 1 (λ / Λ) are given. Here: N is the effective refractive index of the guided mode; α-, the coupling or decoupling angle; 1 the associated diffraction order (+1 describes the coupling equation, -1 the coupling equation); λ the wavelength; Λ the grid period. By selecting the appropriate polarization for the light beam 5, both TE modes and TM modes can be excited in a manner known per se. The coupling or decoupling angle is the difference between the resonance angle of incidence or resonance angle and the autocollimation angle.
Bei Verwendung von einem Si02-Ti02 Wellenleiter 1 und einem Gitter 4 mit beispielsweise einer Linienzahl von 1200 Linien/mm kann über die Beugungsordnungen 1 = ±1 , ±2, ±3 ein- bzw. ausge- koppelt werden. Vorzugsweise wird über die Beugungsordnung 1 = +1/-1 eingekoppelt und das über die Beugungsordnung 1 = -2/+2 ausgekoppelte Licht positionsempfindlich detektiert oder über die Beugungsordnung 1 = +2/-2 eingekoppelt und das über die Beugungsordnung 1 = -1/+1 ausgekoppelte Licht posi¬ tionsempfindlich detektiert.When using an Si0 2 -Ti0 2 waveguide 1 and a grating 4 with, for example, a number of lines of 1200 lines / mm, 1 = ± 1, ± 2, ± 3 can be switched on or off via the diffraction orders. be coupled. Coupling is preferably carried out via the diffraction order 1 = + 1 / -1 and the light decoupled via the diffraction order 1 = -2 / + 2 is detected in a position-sensitive manner or coupled in via the diffraction order 1 = + 2 / -2 and this is done via the diffraction order 1 = -1 / + 1 decoupled light detected position sensitive.
Um bei der Lichteinkopplung eine bewegliche Mechanik zu vermeiden, wird ein in der Einfallsebene fächerförmiges Licht¬ feld 6 auf das Gitter 4 gerichtet, wobei der Fokus dieses fächerförmigen Lichtfeldes 6 vorzugsweise direkt auf der Gitterstruktur liegt. Dies erlaubt ständige Modenanregung bei fester Geometrie, auch wenn sich die effektive Brechzahl auf¬ grund eines Sensorexperiments ändert, die Wellenleiterkonfigu¬ ration produktionsbedingt leicht variiert und/oder die Brechza der Messprobe 13 (z.B. Serum) von Charge zu Charge ändert. Der Gitterkoppler 10 kann auch mit einem einen kleinen Oeffnungswi kel aufweisenden, winkelmässig nachstellbaren fächerförmigen Lichtfeld 6 beleuchtet werden, ohne dass sich die Position der beleuchteten Gitterstelle verschiebt. Dadurch wird eine genüge hohe Liσhtintensität des geführten Modes 16 sichergestellt. Di winkelmässige Justierung des fächerförmigen Lichtfeldes 6 kann beispielsweise mit Hilfe eines elektromagnetischen Spiegels, wi in den Video Disk Players von Philips verwendet, und einer Lins erfolgen, indem die Linse zwischen dem elektromagnetischen Spiegel und dem Gitterkoppler 10 derart angeordnet wird, dass der Fokus eines einfallenden, auf den elektromagnetischen Spie¬ gel fokussierten fächerförmigen Lichtfeldes durch die Linse auf das Beugungsgitter 4 abgebildet wird. Infolge der Linsenwirkung führt eine Spiegelrotation zu einer winkelmässigen Aenderung de auf das Beugungsgitter 4 fokussierten fächerförmigen Lichtfelde 6, nicht aber zu einer Verschiebung der Position der beleuch¬ teten Gitterstelle.In order to avoid a moving mechanism during the coupling of light, a fan-shaped light field 6 in the plane of incidence is directed onto the grating 4, the focus of this fan-shaped light field 6 preferably being directly on the grating structure. This allows constant mode excitation with a fixed geometry, even if the effective refractive index changes due to a sensor experiment, the waveguide configuration varies slightly due to production and / or the refractive index of the measurement sample 13 (e.g. serum) changes from batch to batch. The grating coupler 10 can also be illuminated with a small opening angle, angularly adjustable fan-shaped light field 6, without the position of the illuminated grating position shifting. This ensures a sufficiently high light intensity of the guided mode 16. The angular adjustment of the fan-shaped light field 6 can be carried out, for example, with the aid of an electromagnetic mirror, as used in the Philips video disk players, and a lens, in that the lens is arranged between the electromagnetic mirror and the grating coupler 10 such that the focus of an incident one is imaged on the electromagnetic mirror-focused fan-shaped light field through the lens onto the diffraction grating 4. As a result of the lens effect, a mirror rotation leads to an angular change in the fan-shaped light field 6 focused on the diffraction grating 4, but not to a shift in the position of the illuminated grating point.
Da die Auskopplung des Modes 16 über schwache Kopplung erfolgen soll, wird der geführte Mode 16 über eine längere Strecke ausgekoppelt, die auch als Kopplungslänge bezeichnet wird, so dass die ausgekoppelten Lichtfeider 17, 20 approximati ebenen Wellen entsprechen (siehe Figuren 2 und 3). Diese ausgekoppelten Lichtfelder 17, 20 sind somit zwangsläufig gegenüber den direkt gebeuten Lichtfeldern 8, 9, 11 um die Grössenordnung der Kopplungslänge lateral versetzt. Da das einfallende fächerförmige Lichtfeld 6 bewirkt, dass die direkt gebeugten Lichtfelder 8, 9, 11 ebenfalls fächerförmig erschei¬ nen, garantiert die schwache Kopplung sowohl räumliche wie auch spatialfrequenzmässige Trennung der ausgekoppelten Lichtfelder 17, 20 von den direkt gebeugten Lichtfeidern 8, 9, 11. Schwache Kopplung wird erreicht, indem beispielsweise die Modulation des Beugungsgitters 4 klein gehalten wird.Since mode 16 is to be decoupled via weak coupling, the guided mode 16 becomes longer Coupled out distance, which is also referred to as the coupling length, so that the decoupled Lichtfeider 17, 20 approximate plane waves (see Figures 2 and 3). These outcoupled light fields 17, 20 are thus inevitably offset laterally by the order of magnitude of the coupling length compared to the directly captured light fields 8, 9, 11. Since the incident fan-shaped light field 6 causes the directly diffracted light fields 8, 9, 11 to also appear fan-shaped, the weak coupling guarantees both spatial and spatial frequency separation of the coupled-out light fields 17, 20 from the directly diffracted light fields 8, 9, 11 Weak coupling is achieved, for example, by keeping the modulation of the diffraction grating 4 small.
Beispielsweise befindet sich gemäss Figur 2 ein positions¬ empfindlicher Detektor 7 im Bereich eines Lichtfeldes 9 einer nicht eingekoppelten bzw. vom Gitter abgestrahlten Beugungs¬ ordnung. Auf dem fächerförmigen Lichtfeld 9 befindet sich über¬ lagert ein Lichtfeld 17, das durch die Auskopplung des geführten Modes 16 am Gitter 4 entsteht, einen durch die Kopplungsglei¬ chung gegebenen Auskopplungswinkel α-,1 aufweist (siehe Figur 1 ) und auf dem positionsempfindlichen Detektor 7 einen hellen Lichtfleck 12 bildet. Aendert sich nun die effektive Brechzahl N des geführten Modes 16 aufgrund eines Sensor-Experiments, so ändert nach der Kopplungsgleichung der Auskopplungswinkel α-,., was eine Verschiebung des hellen Lichtflecks 12 im Lichtfeld 9 zur Folge hat. Diese Verschiebung des Lichtflecks 12 kann mit dem positionsempfindlichen Detektor 7 registriert werden. Diese Art der Registrierung ist unabhängig von Schwankungen der Licht¬ intensität des ausgekoppelten Lichtfeldes 17 und des direkt ge¬ beugten Lichtfeldes 9. Mit einem positionsempfindlichen Detektor, wie beispielsweise dem Detektor S3979 von Hamamatsu, kann jedoch neben der Position auch die Intensität eines Licht¬ flecks 12 und somit indirekt auch die Intensität des geführten Modes 16 gemessen werden. Gemäss Figur 2 wird vorzugsweise zwischen Beugungsgitter 4 und positionsempfindlichem Detektor 7 derart eine konvexe Lins 18 gestellt, dass das approximativ als ebene Welle ausgekoppel Lichtfeld 17 auf den positionsempfindlichen Detektor 7 fokus- siert wird. Der positionsempfindliche Detektor 7 befindet sich somit in der Brennebene der Linse 18. Da das direkt gebeugte Lichtfeld 9 fächerförmig abgestrahlt wird, erscheint dieses Lichtfeld in der Brennebene der Linse 18 als nicht fokussierte Lichtverteilung und beeinträchtigt deshalb nicht die Positions¬ bestimmung des fokussierten vom ausgekoppelten Lichtfeld 17 erzeugten Lichtflecks 12.For example, according to FIG. 2, there is a position-sensitive detector 7 in the area of a light field 9 of a diffraction order that is not coupled in or emitted by the grating. Superimposed on the fan-shaped light field 9 is a light field 17, which is produced by the coupling of the guided mode 16 on the grating 4, has a coupling angle α-, 1 given by the coupling equation (see FIG. 1) and on the position-sensitive detector 7 forms a bright spot of light 12. If the effective refractive index N of the guided mode 16 changes due to a sensor experiment, the coupling angle α -,... Changes according to the coupling equation, which results in a shift of the bright light spot 12 in the light field 9. This displacement of the light spot 12 can be registered with the position-sensitive detector 7. This type of registration is independent of fluctuations in the light intensity of the decoupled light field 17 and the directly diffracted light field 9. With a position-sensitive detector, such as, for example, the S3979 from Hamamatsu, the intensity of a light spot can also be determined in addition to the position 12 and thus indirectly also the intensity of the guided mode 16 can be measured. According to FIG. 2, a convex lens 18 is preferably placed between the diffraction grating 4 and the position-sensitive detector 7 such that the light field 17, which is approximately coupled out as a plane wave, is focused on the position-sensitive detector 7. The position-sensitive detector 7 is thus located in the focal plane of the lens 18. Since the directly diffracted light field 9 is radiated in a fan shape, this light field appears in the focal plane of the lens 18 as an unfocused light distribution and therefore does not impair the position determination of the focused and coupled-out light field 17 generated light spots 12.
Manchmal ist es auch vorteilhaft, zwischen Beugungsgitter 4 und positionsempfindlichem Detektor 7 eine Blende 19 zu verwen¬ den. Meistens wird diese Blende 19 zwischen Beugungsgitter 4 un Linse 18, vorzugsweise in die direkte Nähe vom Gitterkoppler 10 gestellt, wo das ausgekoppelte Lichtfeld 17 vom direkt gebeugte Lichtfeld 9 dank schwacher Kopplung räumlich getrennt ist, da das ausgekoppelte Lichtfeld 17 gegenüber dem fächerförmig abge¬ strahlten Lichtfeld 9 immer um die Grössenordnung der Kopplungs länge lateral versetzt ist. Somit kann mit einer Blende 19 er¬ reicht werden, dass das Lichtfeld 9 zumindest teilweise abge¬ blockt wird, ohne das ausgekoppelte Lichtfeld 17 zu stören. Wir der positionsempfindliche Detektor 7 in das direkt transmit- tierte oder reflektierte Lichtfeld 8, 11 gestellt, so ist die Verwendung einer Blende 19 stark empfohlen, um die Beleuchtung des positionsempfindlichen Detektors 7 mit dem intensiven direk transmittierten oder reflektierten Lichtfeld 8, 11 zu vermeiden (siehe Figur 3) .Sometimes it is also advantageous to use an aperture 19 between the diffraction grating 4 and the position-sensitive detector 7. Most of the time, this aperture 19 is placed between the diffraction grating 4 and the lens 18, preferably in the immediate vicinity of the grating coupler 10, where the decoupled light field 17 is spatially separated from the directly diffracted light field 9 thanks to weak coupling, since the decoupled light field 17 radiates in a fan-shaped manner Light field 9 is always laterally offset by the order of magnitude of the coupling. It can thus be achieved with a diaphragm 19 that the light field 9 is at least partially blocked off without disturbing the decoupled light field 17. If the position-sensitive detector 7 is placed in the directly transmitted or reflected light field 8, 11, the use of a diaphragm 19 is strongly recommended in order to avoid illuminating the position-sensitive detector 7 with the intensive, directly transmitted or reflected light field 8, 11 ( see Figure 3).
Vorzugsweise werden die Lichtstrahlengänge vor Luftturbu¬ lenzen und Temperaturschwankungen der Umgebung zumindest teil¬ weise geschützt, damit das durch diese Störungen verursachte Rauschen in der Position des Lichtflecks 12 unterdrückt und folglich das Auflösungsvermögen der Messapparatur verbessert wird. Zu diesem Zweck können beispielsweise Röhren oder feste transparente Medien (beispielsweise aus Glas oder Kunststoff) verwendet werden, in denen sich die Lichtfelder geschützt vor der Umgebung fortpflanzen können. Vorzugsweise werden trans¬ parente Medien mit sehr kleinen Temperatur- und thermischen Ausdehnungskoeffizienten, beispielsweise aus Quarz oder Zerodur, verwendet.The light beam paths are preferably at least partially protected from air turbulence and temperature fluctuations in the environment, so that the noise caused by these disturbances in the position of the light spot 12 is suppressed and consequently the resolving power of the measuring apparatus is improved. For this purpose, for example, tubes or solid transparent media (e.g. made of glass or plastic) are used, in which the light fields can propagate protected from the environment. Transparent media with very low temperature and thermal expansion coefficients, for example made of quartz or Zerodur, are preferably used.
Gemäss Figur 3 kann die Ausdehnung der Messanordnung durch Spiegelung der Lichtstrahlengänge reduziert werden. Beispiels¬ weise können Spiegel 22 an der Oberfläche eines transparenten einen kleinen Temperatur- bzw. thermischen Ausdehnungskoeffi¬ zienten aufweisenden Körpers 21 angebracht werden, der zwischen Gitterkoppler 10 und positionsempfindlichem Detektor 7 derart gestellt ist, dass das ausgekoppelte Lichtfeld 17, 20 nach ein- oder mehrfacher Reflexion auf den positionsempfindlichen Detektor 7 auftrifft. Dieser Körper, dessen für den Strahlengang relevanten Ein- und Austrittsflächen vorzugsweise mit einer Antireflexschicht 23 versehen sind, schützt den Strahlengang gleichzeitig gegen Luftturbulenzen.According to FIG. 3, the extent of the measuring arrangement can be reduced by reflecting the light beam paths. For example, mirrors 22 can be attached to the surface of a transparent body 21 having a small temperature or thermal expansion coefficient, which is placed between grating coupler 10 and position-sensitive detector 7 in such a way that the outcoupled light field 17, 20 moves in or out multiple reflection hits the position-sensitive detector 7. This body, whose entry and exit surfaces relevant to the beam path are preferably provided with an anti-reflective layer 23, simultaneously protects the beam path against air turbulence.
Chemoempfindlicher Wellenleiter und Gitterperiode müssen derart konfiguriert werden, dass der geführte Mode 16 während der Messung der Aenderung der effektiven Brechzahl keine Bragg- Reflexion erfährt. Beispielsweise wird dies dadurch erreicht, dass das den hellen Lichtfleck 12 erzeugende Lichtfeld 17 das Beugungsgitter 4 nicht senkrecht verlasst. Die Erzeugung eines retroreflektierten Modes verursacht Störungen. Beispielsweise kann der retroreflektierte Mode ebenfalls approximativ in Form einer ebenen Welle ausgekoppelt werden und einen zweiten Licht¬ fleck auf dem positionsempfindlichen Detektor 7 bilden.Chemosensitive waveguide and grating period must be configured such that the guided mode 16 does not experience any Bragg reflection during the measurement of the change in the effective refractive index. For example, this is achieved in that the light field 17 producing the bright light spot 12 does not leave the diffraction grating 4 vertically. The generation of a retroreflected mode causes interference. For example, the retroreflected mode can also be coupled out approximately in the form of a plane wave and form a second light spot on the position-sensitive detector 7.
Das erfindungsgemässe Messverfahren ist besonders für die Bioanalytik interessant. Als Beispiel sei der Nachweis einer immunchemischen Reaktion erwähnt. Gemäss Figur 4 befindet sich auf dem Gitter 4 eine Antikörper- bzw. Antigenschicht, die in diesem Fall der chemoempfindlichen Substanz 14 entspricht. Die flüssige Messprobe 13 mit dem Antigen bzw. Antikörper wird in die Küvette 15 eingespritzt oder über Kapillarwirkung einge¬ zogen. Die Kopplung der beiden immunologischen Partner bewirkt eine Aenderung der effektiven Brechzahl und damit eine Ver¬ schiebung des Lichtflecks 12 auf dem positionsempfindlichen Detektor 7. Damit die Reaktionszeiten nicht durch Diffusion kontrolliert und damit gross werden, ist es vorteilhaft, eine Küvette mit Kuvettentiefe kleiner als 500 μ zu verwenden (sieh Phil. Trans. R. Soc. Lond. B 316, 143 - 160 (1987)). Das Mess¬ prinzip kann auch für andere bindungsspezifische Partner ver¬ wendet werden.The measuring method according to the invention is particularly interesting for bioanalytics. The detection of an immunochemical reaction may be mentioned as an example. According to FIG. 4, there is an antibody or antigen layer on the grid 4, which in this case corresponds to the chemo-sensitive substance 14. The Liquid measurement sample 13 with the antigen or antibody is injected into the cuvette 15 or drawn in via capillary action. The coupling of the two immunological partners causes a change in the effective refractive index and thus a shift in the light spot 12 on the position-sensitive detector 7. In order that the reaction times are not controlled by diffusion and thus become long, it is advantageous to use a cuvette with a cuvette depth of less than 500 μ to use (see Phil. Trans. R. Soc. Lond. B 316, 143-160 (1987)). The measuring principle can also be used for other binding-specific partners.
Das Messprinzip kann auch im Zusammenhang mit einem "Competition Assay" oder "Sandwich Assay" verwendet werden. Zur Signalverstärkung werden oftmals bindungsfähige Makromoleküle oder Kügelchen aus Kunststoff (Polystyrol, Latex), hoch¬ brechendem Glas (Ti02, LiNb03, Glas) oder Metall (Gold, Titan, Aluminium) verwendet, die in der Literatur auch als 'refractive index labeis' bezeichnet werden. Diese bindungsfähigen 'refractive index labeis' können reversibel wie auch irrever¬ sibel gebunden werden und bilden neben der immobilisierten bin¬ def higen Substanz 14 und der nachzuweisenden Substanz ein drittes Reagenz. Es ist zum Beispiel auch vorstellbar, dass sic der 'refractive index label' auf der dem Gitter 4 gegenüber¬ liegenden Küvettenwand befindet und erst durch Einzug der flüs¬ sigen Messprobe in Lösung geht. Mit drei Reagenzien können auch noch andere Assays realisiert werden.The measuring principle can also be used in connection with a "competition assay" or "sandwich assay". Binding-capable macromolecules or beads made of plastic (polystyrene, latex), high-index glass (Ti0 2 , LiNb0 3 , glass) or metal (gold, titanium, aluminum) are often used for signal amplification, which are also known in the literature as a 'refractive index label''are designated. These binding 'refractive index labels' can be bound reversibly as well as irreversibly and form a third reagent in addition to the immobilized binary substance 14 and the substance to be detected. It is also conceivable, for example, that the 'refractive index label' is located on the cell wall opposite the grid 4 and does not dissolve until the liquid measurement sample is drawn in. Other assays can also be performed with three reagents.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann auch allgemein zur Detektion von am oder im chemoempfindlichen Wellenleiter 1 aufgrund der spezifischen Substanz ablaufenden Reaktionen eingesetzt werden. Beispielsweise kann bei der Umsetzung eines Substrats durch ein auf dem wellenleitenden Film 3 immobili¬ siertes Enzym eine Brechzahländerung entstehen. In diesem Fall bildet das Substrat die spezifische Substanz und das Enzym die chemoempfindliche Substanz 14. Die katalytische Wirkung des Enzyms kann aber auch dazu führen, dass ein nicht lösliches Produkt entsteht, das sich an der Oberfläche des chemoempfind¬ lichen Wellenleiters 1 niederschlägt.The method according to the invention can also be used generally for the detection of reactions taking place on or in the chemo-sensitive waveguide 1 due to the specific substance. For example, a change in refractive index can occur when an substrate is converted by an enzyme immobilized on the waveguiding film 3. In this case, the substrate forms the specific substance and the enzyme forms the chemo-sensitive substance 14. The catalytic effect of the However, enzyme can also lead to the formation of an insoluble product which is deposited on the surface of the chemo-sensitive waveguide 1.
Besteht die chemoempfindliche Substanz 14 zum Beispiel aus einer Membran, so können aufgrund der spezifischen Substanz in oder an der Membran ablaufende Reaktionen bewirken, dass sich der Abstand der Membran zum wellenleitenden Film 3 oder die Struktur bzw. die Dicke dieser Membran ändert. Diese Methode stellt ein Verstärkungsmechanismus dar, so dass nachzuweisende kleine Moleküle auch grössere Aenderungen der effektiven Brech¬ zahl bewirken können.If the chemo-sensitive substance 14 consists, for example, of a membrane, reactions taking place in or on the membrane can cause the distance of the membrane from the waveguiding film 3 or the structure or the thickness of this membrane to change due to the specific substance. This method represents an amplification mechanism so that small molecules to be detected can also cause major changes in the effective refractive index.
Wird der Gitterkoppler 10 mit einer Küvette 15 versehen, so sollte die dem Beugungsgitter 4 gegenüberliegende Küvettenwand vorzugsweise aus einem Material bestehen, das lichtabsorbierend ist und/oder eine möglichst kleine Reflexion aufweist, um stö¬ rende Reflexe zu unterdrücken. Zudem sollte der für die Messung relevante geführte Mode 16 vollständig unter der Messprobe 13 liegen, so dass der geführte Mode 16 die durch Messprobe 13 und chemoempfindlichem Wellenleiter 1 als geschlossene Linie defi¬ nierte Berandung der Messprobe 13 nicht durchquert.If the grating coupler 10 is provided with a cuvette 15, the cuvette wall opposite the diffraction grating 4 should preferably consist of a material that is light-absorbing and / or has a reflection that is as small as possible in order to suppress disturbing reflections. In addition, the guided mode 16 relevant for the measurement should lie completely below the measurement sample 13, so that the guided mode 16 does not cross the boundary of the measurement sample 13 defined by the measurement sample 13 and chemo-sensitive waveguide 1 as a closed line.
Zur Empfindlichkeitssteigerung eines Gitterkopplersensors ist es auch vorteilhaft, eine tiefbrechende Schicht 2' zwischen Substrat 2 und wellenleitendem Film 3 einzufügen (siehe Figur 4). Diese tiefbrechende Schicht 2' sollte womöglich struktu¬ rierbar sein. Wird eine mikroporöse tiefbrechende Schicht 2' mit einem nicht porösen wellenleitenden Film 3 überdeckt, so kann in den Mikroporen der tiefbrechenden Schicht 2' keine Wasser¬ sorption stattfinden.To increase the sensitivity of a grating coupler sensor, it is also advantageous to insert a deep refractive layer 2 'between the substrate 2 and the waveguiding film 3 (see FIG. 4). This deep refractive layer 2 'should possibly be structurable. If a microporous deep refractive layer 2 'is covered with a non-porous wave-guiding film 3, no water sorption can take place in the micropores of the deep refractive layer 2'.
Der vorgeschlagene Messaufbau kann gemäss Figur 5 auch der¬ art erweitert werden, dass mit einem zweiten fächerförmigen Lichtfeld 6' ein Mode 16' in gegenüber dem Mode 16 umgekehrter Ausbreitungsrichtung angeregt wird, dieser Mode 16' infolge Auskopplung im gebeugten fächerförmigen Lichtfeld 9' einen hellen Lichtfleck 12' erzeugt und die Aenderung der effektiven Brechzahl dieses zweiten Modes 16' über die Verschiebung des Lichtflecks 12' mit einem zweiten positionsempfindlichen Detek¬ tor 7' gemessen wird. Die beiden fächerförmigen Lichtfelder 6 und 6' können gleichzeitig oder im Multiplex-Verfahren auf das Gitter 4 auftreffen. Gemäss US Patent 4 952 056 kann über die Resonanzeinfallswinkel für Modenanregung in Vorwärts- und Rück¬ wärtsrichtung der Autokollimationswinkel berechnet und damit di effektive Brechzahl quantitativ bestimmt werden. Da die Ein- kopplungswinkel und die Auskopplungswinkel für beide Ausbrei¬ tungsrichtungen betragsmässig gleich gross sind und in der Messvorrichtung (siehe Figur 1) der Auskopplungswinkel o.*|. über die Ortsbestimmung des Lichtflecks 12 gemessen wird, kann mit der erweiterten Messvorrichtung die effektive Brechzahl eben¬ falls quantitativ gemessen werden. Dies erlaubt, dass beispiels weise der Gitterkoppler 10 von der erweiterten Messvorrichtung weggenommen, die auf dem Gitter 4 befindliche chemoempfindliche Substanz 14 mit der Messprobe 13 inkubiert und anschliessend zu Messung der effektiven Brechzahl wieder in die erweiterte Mess¬ vorrichtung eingesetzt werden kann. Die Aenderung der effektive Brechzahl aufgrund der Inkubation ist messbar, da die effektive Brechzahl quantitativ erfasst wird. Die Autokollimationswinkel- stellung wird jeweils aus den beiden Positionen der Lichtflecke 12 und 12' auf den entsprechenden positionsempfindlichen Detek¬ toren 7 und 7' bestimmt. Geringfügige winkelmässige Reposi- tionierungsfehler beim Einsetzen des Gitterkopplers 10 in die erweiterte Messvorrichtung spielen somit praktisch keine Rolle.According to FIG. 5, the proposed measurement setup can also be expanded in such a way that a mode 16 'is excited with a second fan-shaped light field 6' in the direction of propagation opposite to mode 16, as a result of this mode 16 ' Decoupling in the diffracted fan-shaped light field 9 'produces a bright light spot 12' and the change in the effective refractive index of this second mode 16 'is measured via the displacement of the light spot 12' with a second position-sensitive detector 7 '. The two fan-shaped light fields 6 and 6 'can strike the grating 4 at the same time or in a multiplex process. According to US Pat. No. 4,952,056, the autocollimation angle can be calculated via the resonance incidence angle for mode excitation in the forward and backward directions, and the effective refractive index can thus be determined quantitatively. Since the coupling angle and the coupling angle are of the same magnitude for both directions of propagation and in the measuring device (see FIG. 1) the coupling angle o. * | , If the location of the light spot 12 is measured, the effective refractive index can also be measured quantitatively using the extended measuring device. This allows, for example, the grating coupler 10 to be removed from the extended measuring device, the chemo-sensitive substance 14 located on the grating 4 to be incubated with the measuring sample 13 and then used again in the extended measuring device to measure the effective refractive index. The change in the effective refractive index due to the incubation can be measured since the effective refractive index is recorded quantitatively. The autocollimation angle position is determined in each case from the two positions of the light spots 12 and 12 'on the corresponding position-sensitive detectors 7 and 7'. Minor angular repositioning errors when inserting the grating coupler 10 into the expanded measuring device thus play practically no role.
Das erfindungsgemässe Verfahren lässt sich auf einfache Weise ehrkanalig betreiben, da das Messverfahren ein Refle¬ xionsverfahren darstellt. Für diesen mehrkanaligen Betrieb können mehrere Gitter, Gitterstreifen oder grössere 2-dimen- sionale Gitter verwendet werden. Es werden dann die verschie¬ denen Gitterregionen mit verschiedenen chemoempfindlichen Substanzen 14 belegt. Einer von diesen Kanälen kann beispiels¬ weise auch als Referenzkanal betrieben werden.The method according to the invention can be operated in a simple manner using an honor channel, since the measuring method represents a reflection method. For this multi-channel operation, several grids, grating strips or larger 2-dimensional grids can be used. The various lattice regions with different chemo-sensitive ones then become Substances 14 occupied. One of these channels can also be operated as a reference channel, for example.
Wird ein stark lichtabsorptiver chemoempfindlicher Wellen¬ leiter 1 verwendet, so entspricht in Figur 1 der helle Licht¬ fleck 12 einem dunklen Fleck 12" und kann in den Lichtfeldern 8, 9, 11 der nicht eingekoppelten Beugungsordnungen beobachtet werden, insbesondere in der nullten reflektierten Beugungs¬ ordnung. Der absorptive Wellenleiter 1 bewirkt, dass das ein¬ gekoppelte Licht nicht mehr auskoppeln kann, sondern dass die Energie im absorptiven Wellenleiter 1 verbraucht wird. Dieses Licht fehlt dann in den nicht eingekoppelten bzw. abgestrahlten BeugungsOrdnungen und erzeugt somit den dunklen Fleck 12" in den Lichtfeldern 8, 9, 11. Im Gegensatz zum nicht lichtabsorptiven Wellenleiter ist hier aber eine starke Kopplung von Vorteil. Der positionsempfindliche Detektor 7 muss so ausgelegt sein, dass die Position des dunklen Flecks 12" registriert werden kann. Diese Art der Registrierung kann beispielsweise mit einem Photo- diodenarray erfolgen. If a highly light-absorbing chemo-sensitive waveguide 1 is used, the bright light spot 12 in FIG. 1 corresponds to a dark spot 12 "and can be observed in the light fields 8, 9, 11 of the non-coupled diffraction orders, especially in the zeroth reflected diffraction order The absorptive waveguide 1 means that the coupled-in light can no longer decouple, but rather that the energy is consumed in the absorptive waveguide 1. This light is then missing in the diffraction orders that are not coupled in or emitted and thus produce the dark spot 12 "in the light fields 8, 9, 11. In contrast to the non-light-absorbing waveguide, a strong coupling is advantageous here. The position-sensitive detector 7 must be designed such that the position of the dark spot 12 "can be registered. This type of registration can be carried out, for example, with a photo diode array.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Verfahren zum selektiven Nachweis von spezifischen Sub¬ stanzen in chemischen, biochemischen und biologischen Messprobe (13) durch Bestimmung der Aenderung der effektiven Brechzahl eines geführten Modes (16), der sich in der Gitterregion eines mit einem Beugungsgitter (4) versehenen chemoempfindlichen Wellenleiters (1) ausbreitet, wobei das Beugungsgitter (4) sowohl als Einkopplungsgitter als auch als Auskopplungsgitter wirkt, der chemoempfindliche Wellenleiter (1) entweder einen chemoempfindlichen wellenleitenden Film (3) oder eine den wellenleitenden Film (3) im Bereich des Beugungsgitters (4) be¬ deckende chemoempfindliche Substanz (14) aufweist, die Messprob (13) im Bereich des Beugungsgitters (4) mit dem chemoempfind¬ lichen Wellenleiter (1) in Kontakt gebracht wird und ein Detek¬ tor in den Bereich eines Lichtfeldes (8, 9, 11) einer nicht eingekoppelten Beugungsordnung gestellt wird, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass das Beugungsgitter (4) mit mindestens einem monochromatischen fächerförmigen Lichtfeld (6) beleuchtet wird zur Sicherstellung mindestens einer Modenanregung, eine geringe und homogene Modulation aufweist zur Sicherstellung einer schwachen Kopplung, um die räumliche wie auch spatialfreguenz- mässige Trennung des direkt gebeugten fächerförmigen Licht¬ feldes (8, 9, 11) vom ausgekoppelten Lichtfeld (17, 20) zu gewährleisten, und eine derartige Gitterperiode aufweist, so dass der geführte Mode (16) während der Messung keine Bragg- Reflexion erfährt, dass ein positionsempfindlicher Detektor (7) in einem gebeugten fächerförmigen Lichtfeld (8, 9, 11) ange¬ ordnet wird, das einen hellen Lichtfleck (12) aufweist, welcher dem über schwache Kopplung ausgekoppelten Lichtfeld (17, 20) entspricht, aufgrund schwacher Kopplung approximativ als ebene Welle anzusehen ist und sich deshalb vom gebeugten fächer¬ förmigen Lichtfeld (8,. 9, 11) unterscheidet, dass der für die Messung relevante geführte Mode (16) nicht die durch Messprobe (13) und chemoempfindlichem Wellenleiter (1) als geschlossene Linie definierte Berandung der Messprobe (13) durchquert und dass die durch die Bindung der spezifischen Substanz an den oder in den chemoempfindlichen Wellenleiter (1 ) oder durch die am oder im chemoempfindlichen Wellenleiter (1) aufgrund der spezi¬ fischen Substanz ablaufenden Reaktionen verursachte Verschiebung dieses hellen Lichtflecks (12) mit dem positionsempfindlichen Detektor (7) gemessen wird.1. A method for the selective detection of specific substances in chemical, biochemical and biological measurement sample (13) by determining the change in the effective refractive index of a guided mode (16) which is in the grating region of a chemo-sensitive waveguide provided with a diffraction grating (4) (1) spreads, the diffraction grating (4) acting both as a coupling grating and as a coupling grating, the chemo-sensitive waveguide (1) either a chemo-sensitive waveguiding film (3) or the waveguiding film (3) in the region of the diffraction grating (4) ¬ covering chemo-sensitive substance (14), the test sample (13) in the area of the diffraction grating (4) is brought into contact with the chemo-sensitive waveguide (1) and a detector in the area of a light field (8, 9, 11 ) of a non-coupled diffraction order, characterized in that the diffraction grating (4) has at least one monochromatis The fan-shaped light field (6) is illuminated to ensure at least one mode excitation, and has a low and homogeneous modulation to ensure weak coupling in order to separate the directly diffracted fan-shaped light field (8, 9, 11) from the spatial and spatial frequencies to ensure decoupled light field (17, 20) and has such a grating period that the guided mode (16) does not experience any Bragg reflection during the measurement that a position-sensitive detector (7) is in a diffracted fan-shaped light field (8, 9, 11) is arranged, which has a bright light spot (12), which corresponds to the light field (17, 20) coupled out via weak coupling, can be regarded as an approximate plane wave due to weak coupling and is therefore separated from the diffracted fan-shaped light field (8 ,. 9, 11) differentiates that the guided mode (16) relevant for the measurement does not cross the boundary of the measurement sample (13) defined by the measurement sample (13) and chemo-sensitive waveguide (1) and that the displacement of this bright light spot (12) with the position-sensitive detector (12) caused by the binding of the specific substance to or in the chemo-sensitive waveguide (1) or by the reactions taking place on or in the chemo-sensitive waveguide (1) due to the specific substance 7) is measured.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der positionsempfindliche Detektor (7) in einem gebeugten fä¬ cherförmigen Lichtfeld (9) angeordnet wird, das nicht dem direkt reflektierten bzw. dem direkt transmittierten Lichtfeld (8, 11) entspricht.2. The method according to claim 1, characterized in that the position-sensitive detector (7) is arranged in a diffracted fan-shaped light field (9) which does not correspond to the directly reflected or the directly transmitted light field (8, 11).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Lichtstrahlengänge durch Verwendung von Abdeckungen vor Störungen der Umgebung zumindest teilweise geschützt werden.3. The method according to claim 1 or 2, characterized gekenn¬ characterized in that the light beam paths are at least partially protected from interference from the environment by using covers.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als wellenleitender Film (3) eine nichtpo¬ röse hochbrechende Schicht verwendet wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that a non-porous, highly refractive layer is used as the waveguiding film (3).
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Beugungsgitter (4) eine unidiffraktive Gitterstruktur aufweist.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the diffraction grating (4) has a unidiffractive grating structure.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das einfallende fächerförmige Lichtfeld (6) zur Sicherstellung genügend hoher Lichtintensität des geführten Modes (16) einen kleinen Oeffnungswinkel aufweist und winkel- mässig derart nachstellbar ist, dass sich die Position der beleuchteten Gitterstelle nicht verschiebt.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the incident fan-shaped light field (6) to ensure sufficiently high light intensity of the guided mode (16) has a small opening angle and angularly adjustable so that the position of the Illuminated grid position does not move.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in den Strahlengang zwischen Beugungs- gitter (4) und positionsempfindlichem Detektor (7) eine Linse7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that in the beam path between diffraction grid (4) and position-sensitive detector (7) a lens
(18) angeordnet wird.(18) is arranged.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in den Strahlengang zwischen Beugungs¬ gitter (4) und positionsempfindlichem Detektor (7) eine Blende8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that an aperture in the beam path between the diffraction grating (4) and position-sensitive detector (7)
(19) angeordnet wird.(19) is arranged.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch Spiegelung der Lichtstrahlengänge di Ausdehnung der Messanordnung klein gehalten wird.9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that di extension of the measuring arrangement is kept small by reflecting the light beam paths.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Wellenleiter (1) zwischen einem Substra (2) und dem wellenleitenden Film (3) eine tiefbrechende Schicht10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that in the waveguide (1) between a substrate (2) and the waveguiding film (3) a deep refractive layer
(2' ) angeordnet wird.(2 ') is arranged.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Beugungsgitter (4) mit mindestens zwei fächerförmigen Lichtfeldern (6, 6') beleuchtet wird zur Sicher¬ stellung der Modenanregung in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung, dass mit zwei positionsempfindlichen Detektoren (7, 7') die Positionen von beiden Lichtflecken (12, 12'), welche den beiden ausgekoppelten Lichtfeldern entsprechen, gemessen werden und dass aus den beiden Positionen der Lichtflecke (12, 12') jene Position berechnet wird, die der Autokollimationswinkelstellung entspricht.11. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the diffraction grating (4) with at least two fan-shaped light fields (6, 6 ') is illuminated to ensure the mode excitation in the forward and backward direction that with two position-sensitive detectors (7, 7 ') the positions of the two light spots (12, 12'), which correspond to the two out-coupled light fields, are measured and that from the two positions of the light spots (12, 12 ') that position is calculated which corresponds to the autocollimation angle position .
12. Verfahren zum selektiven Nachweis von spezifischen Sub¬ stanzen in chemischen, biochemischen und biologischen Messprobe (13) durch Bestimmung der Aenderung der effektiven Brechzahl eines geführten Modes (16), der sich in der Gitterregion eines mit einem Beugungsgitter (4) versehenen chemoempfindlichen Wellenleiters (1) ausbreitet, wobei der chemoempfindliche Wel¬ lenleiter (1) entweder einen chemoempfindlichen wellenleitenden Film (3) oder eine den wellenleitenden Film (3) im Bereich des Beugungsgitters (4) bedeckende chemoempfindliche Substanz (14) aufweist, die Messprobe (13) im Bereich des Beugungsgitters (4) mit dem chemoempfindlichen Wellenleiter (1) in Kontakt gebracht wird und ein Detektor in den Bereich eines Lichtfeldes (8, 9, 11) einer nicht eingekoppelten Beugungsordnung gestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der chemoempfindliche Wellenleiter (1) lichtabsorptiv ist, dass das Beugungsgitter (4) mit minde¬ stens einem monochromatischen fächerförmigen Lichtfeld (6) be¬ leuchtet wird zur Sicherstellung mindestens einer Modenanregung, dass ein positionsempfindlicher Detektor (7) in einem gebeugten fächerförmigen einen dunklen Fleck (12") aufweisenden Lichtfeld (8, 9, 11) angeordnet ist und dass die durch die Bindung der spezifischen Substanz an den oder in den chemoempfindlichen Wellenleiter (1 ) oder durch die am oder im chemoempfindlichen Wellenleiter (1) aufgrund der spezifischen Substanz ablaufenden Reaktionen verursachte Verschiebung dieses dunklen Flecks (12") mit dem positionssempfindlichen Detektor (7) gemessen wird. 12. A method for the selective detection of specific substances in chemical, biochemical and biological measurement sample (13) by determining the change in the effective refractive index of a guided mode (16) which is in the grating region of a chemo-sensitive waveguide provided with a diffraction grating (4) (1) spreads, the chemosensitive waveguide (1) either a chemosensitive waveguiding film (3) or the waveguiding film (3) in the region of the Diffraction grating (4) covering chemo-sensitive substance (14), the measurement sample (13) in the area of the diffraction grating (4) is brought into contact with the chemo-sensitive waveguide (1) and a detector in the area of a light field (8, 9, 11) a non-coupled diffraction order, characterized in that the chemo-sensitive waveguide (1) is light-absorbent, that the diffraction grating (4) is illuminated with at least one monochromatic fan-shaped light field (6) to ensure at least one mode excitation that is position-sensitive Detector (7) is arranged in a diffracted fan-shaped light field (8, 9, 11) having a dark spot (12 ") and that by binding the specific substance to or in the chemo-sensitive waveguide (1) or by the on or in the chemo-sensitive waveguide (1) due to the reactions of the specific substance, this dark shift stain (12 ") is measured with the position-sensitive detector (7).
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