BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor gemäss Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ein bekanntes Gerät zum Nachweis von Chemisorbatschichten oder von chemisch gebundenen Schichten auf Oberflächen ist das Ellipsometer, das den Polarisationszustand des an der Chemisorbatschicht reflektierten Lichtes analysiert. Dieses Gerät beansprucht relativ viel Platz und das benötigte Messvolumen ist verhältnismässig gross, was für kostspielige Messsubstanzen von grossem Nachteil sein kann. Zudem ist die Messgenauigkeit beschränkt, da die Messküvette den Polarisationszustand des Lichtes beeinflusst.
Eine weitere Methode, chemische Substanzen zu detektieren, ist die Spektralphotometrie. E.E. Hardy et al. beschreiben in Nature 257 (1975), 666-667 ein Spektralphotometer, in dem das Licht in einem optischen Wellenleiter geführt wird. Der optische Wellenleiter ist in diesem Fall ein Quarzstab mit makroskopischen Abmessungen (der Durchmesser des Quarzstabes beträgt ca. 1 mm), also ein typischer Multimode-Wellenleiter. Die Messmethode beruht darauf, dass durch die Adsorption einer chemischen Substanz an den mit einer chemoempfindlichen Schicht versehenen Quarzstab die Lichttransmission des optischen Wellenleiters geändert wird.
Die Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, einen Sensor zu schaffen, welcher
1. den selektiven Nachweis von Substanzen in gasförmigen, flüssigen oder festen Messsubstanzen ermöglicht;
2. Änderungen in der Oberflächenbelegung bis ca. von einem Hundertstel einer monomolekularen Schicht noch auflösen kann;
3. ein sehr geringes Messvolumen benötigt;
4. möglichst wenig Platz beansprucht.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Grundelemente der Erfindung;
Fig. 2 eine erfindungsgemässe Messeinrichtung mit einem Gittereinkoppler;
Fig. 3 eine erfindungsgemässe Messeinrichtung mit einem Gitterauskoppler;
Fig. 4 eine erfindungsgemässe Messeinrichtung mit einem Bragg-Reflektor;
Fig. 5 eine schematische Darstellung der Grundelemente der Erfindung, wobei der Wellenleiter ausserhalb der Gitterregion mit einer Schutzschicht bedeckt ist;
Fig. 6 eine erfindungsgemässe Einrichtung zur Messung der Intensität der geführten Lichtwelle, wobei das von der geführten Lichtwelle erzeugte Streulicht mit einer Faseroptik aufgefangen und einem Detektor zugeführt wird;
;
Fig. 7 eine erfindungsgemässe Einrichtung zur Messung der Intensität der geführten Lichtwelle, wobei dazu die geführte Lichtwelle über ein zweites Beugungsgitter ausgekoppelt wird.
Grundbaustein der integrierten Optik ist der planare Wellenleiter. Dieser besteht aus einer dünnen dielektrischen Schicht, die sich auf einem Substrat befindet. Eingekoppeltes Laserlicht kann durch Totalreflexion in dieser dünnen Schicht geführt werden. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer solchen geführten Lichtwelle (nachstehend als Mode bezeichnet) beträgt c/N, wobei c die Lichtgeschwindigkeit und N die effektive Brechzahl des im Wellenleiter sich ausbreitenden Modes sind.
Die effektive Brechzahl N wird durch die Konfiguration des Wellenleiters (Schichtdicke und Brechzahl der dünnen Schicht sowie Brechzahl des Substrats) festgelegt.
Das Sensorprinzip beruht darauf, dass eine Änderung der Konfiguration des Wellenleiters eine Änderung der als komplexe Grösse aufzufassenden, effektiven Brechzahl N zur Folge hat. Eine Änderung der Konfiguration kann durch Anlagerung einer Zusatzschicht an die dünne Schicht erfolgen, weil sich eine anlagernde Zusatzschicht wie eine Zunahme der Schichtdicke der dünnen Schicht auswirkt.
Ein selektiver Nachweis von Substanzen kann nun in der Weise erreicht werden, dass auf der dünnen Schicht ein selektiv empfindlicher Stoff in Form einer Zusatzschicht aufgebracht wird, die selektiv eine in der Messsubstanz enthaltene und nachzuweisende Substanz durch chemische Bindung oder durch Chemisorption, Adsorption oder Absorption an sich bindet und so zu einer Zunahme der Dicke dieser Zusatzschicht und damit zu einer Änderung der effektiven Brechzahl führt. Eine auf diese Weise bewirkte Änderung der effektiven Brechzahl kann beispielsweise mit einem Gittereinkoppler und/oder Gitterauskoppler oder mit einem Bragg-Reflektor detektiert werden. Die Wirkungsweise des Gitterkopplers bzw. des Bragg-Reflektors ist anhand der Figuren beschrieben.
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung die Grundelemente der Erfindung. Eine dünne Schicht befindet sich in Form eines wellenleitenden planaren Films 1 (beispielsweise einer glasartigen SiO2-TiO2-Schicht) auf einem Substrat 2 (beispielsweise einem Borosilikat-Glas). Der wellenleitende Film 1 und das Substrat 2 bilden zusammen den sogenannten Wellenleiter 1/2. Damit sich Laserlicht via Totalreflexion im wellenleitenden Film 1 ausbreiten kann, muss die Brechzahl des wellenleitenden Films 2 grösser als die des Substrats 2 und der Messsubstanz 3 sein. Der wellenleitende Film 1 kann eine mikroporöse Struktur aufweisen, wie dies zum Beispiel bei der Filmherstellung mit einem Tauchbeschichtungsverfahren erreicht werden kann.
Auf der entweder dem Substrat 2 oder der Messsubstanz 3 zugewandten Oberfläche des wellenleitenden Films 1 oder auch in dessen Volumen befindet sich ein Beugungsgitter 4 der Länge L (zur Herstellung des Wellenleiters und des Gitters vergleiche z.B. W. Lukosz und K.
Tiefenthaler, Optics Letters 8 (1983), 537-539).
Das Beugungsgitter 4 dient zur Beugung von Laserlicht, wobei die Beugung massgeblich durch die effektive Brechzahl N beeinflusst wird.
Der wellenleitende Film 1 ist zumindest in der Gitterregion mit einem als Zusatzschicht geformten selektiv empfindlichen Stoff 5 bedeckt, welcher einen selektiven Nachweis einer in der Messsubstanz 3 enthaltenen Substanz ermöglicht. Die zu untersuchende Substanz 3, welche auch als Messsubstanz bezeichnet wird, wird zumindest im Bereich des Beugungsgitters 4 auf den selektiv empfindlichen Stoff 5 aufgebracht.
Der selektiv empfindliche Stoff 5 ist also derart beschaffen, dass er selektiv nur eine bestimmte Substanz, die in der Messsubstanz 3 vorhanden ist, chemisch bindet oder chemisorbiert, adsorbiert oder absorbiert. Die derart gebundene Substanz bildet eine weitere Zusatzschicht 6. Die Selektivität kann beispielsweise dazu benutzt werden, in der Biochemie Antigen-Antikörper-Kopplungen zu identifizieren. Besteht in diesem Beispiel der als Zusatzschicht geformte selektiv empfindliche Stoff 5 aus einem bestimmten Antigen, so findet genau dann eine Antigen Antikörper-Kopplung statt, wenn in der Messsubstanz 3 der dem Antigen entsprechende Antikörper vorhanden ist. Die weitere Zusatzschicht 6 besteht in diesem Beispiel aus Antikörpern.
Es können Antigen und Antikörper in ihrer Funktion auch ausgetauscht werden, d.h. der selektiv empfindliche Stoff 5 kann auch aus Antikörpern aufgebaut sein.
Der chemisch bindende oder chemisorbierende, adsorbierende oder absorbierende selektiv empfindliche Stoff 5 kann als Zusatzschicht vorliegen und/oder auch nur in den Mikroporen des wellenleitenden Films 1 vorhanden sein. Im letzten Fall findet die chemische Bindung oder die Chemisorption, Adsorption oder Absorption im wellenleitenden Film 1 selbst statt. Sind die Mikroporen beispielsweise mit einem Pikrat-Farbstoff gefüllt, so können mit dem vorliegenden Sensor selektiv Cyan-Dämpfe detektiert werden (vergleiche hierzu E.E. Hardy et al., Nature 257 (1975), 666-667). In diesem Beispiel ist die selektive Adsorption zudem mit einer Farbänderung des selektiv empfindlichen Stoffes verbunden.
Nach Fig. 2 kann ein Laserstrahl 7 über ein Beugungsgitter 4 in einen Wellenleiter 1/2 eingekoppelt werden und in Form eines Modes 8 dem Wellenleiter 1/2 entlanglaufen. Es spielt keine Rolle, ob der Laserstrahl 7 von der Substratseite oder von der Messsubstanzseite her auf das Beugungsgitter 4 fällt. Als Laser kann beispielsweise ein Helium-Neon Laser oder ein Halbleiter-Laser verwendet werden. Die Einkopplungsbedingung ist eine Resonanzbedingung und ist dadurch charakterisiert, dass je nach Wellenleiter-Konfiguration, d.h. je nach effektiver Brechzahl, der Einfallswinkel W1 des Laserstrahls 7 entsprechend gewählt werden muss, um eine maximale Intensität des Modes 8 zu erreichen.
Der Einfallswinkel W1 des Laserstrahls 7 wird infolgedessen durch die effektive Brechzahl N des angeregten Modes 8 bestimmt, welche im wesentlichen von den Brechzahlen der am Wellenleiter beteiligten Medien, von der Schichtdicke des wellenleitenden Films 1 und von Brechzahl und Schichtdicke des als Zusatzschicht geformten selektiv empfindlichen Stoffs 5 und der weiteren Zusatzschicht 6 bestimmt ist. Wird beispielsweise infolge eines Chemisorptions- oder Desorptionsprozesses die effektive Brechzahl N des Modes 8 geändert, so ist der ursprünglich gewählte Einfallswinkel W1 nicht mehr optimal, so dass die Intensität des Modes 8 sich ändert.
Die Änderung der effektiven Brechzahl N kann nun auf zwei verschiedenen Arten gemessen werden.
Bei kleinen effektiven Brechzahländerungen kann die Änderung der Lichtintensität des Modes 8 mit Hilfe eines Detektors Dl gemessen, damit auf die Änderung der effektiven Brechzahl und somit auf den Zustand des Chemisorptions- oder Desorptionsprozesses geschlossen werden. Diese Messmethode eignet sich für die Messung von effektiven Brechzahländerungen, die kleiner sind als die Halbwertsbreite der Resonanzeinkopplungs kurve. Die Halbwertsbreite der Resonanzeinkopplungskurve hängt wegen der Unschärferelation von der Ausdehnung L des Beugungsgitters ab (vergleiche hierzu K. Tiefenthaler und W.
Lukosz, Optics Letters 9 (1984), 137-139). Bei einer Gitterlänge L = 6 mm und einer Wellenlänge von 633 nm können Änderungen der Oberflächenbelegung von einem Hundertstel einer monomolekularen Schicht, beispielsweise einer H20-Schicht, noch aufgelöst werden.
Bei effektiven Brechzahländerungen, die grösser als die Halbwertsbreite der Resonanzeinkopplungskurve sind, erfolgt die Registrierung durch Optimierung der Lichtintensität des Modes 8, indem der Einfallswinkel W1 des Laserstrahls 7 so nachgestellt wird, dass die Intensität des Modes 8 stets maximal ist. Aufgrund der Änderung des Einfallswinkels W1 kann auf die Änderung der effektiven Brechzahl des Modes 8 geschlossen werden. Es besteht auch die Möglichkeit, den Einfallswinkel W1 aufgrund von Berechnungen derart zu wählen, dass ein Mode 8 von maximaler Intensität erst dann entsteht, wenn die Dicke der weiteren Zusatzschicht einen gewünschten Wert erreicht hat.
In Fig. 3 ist eine erfindungsgemässe Messeinrichtung mit einem Gitterauskoppler gezeigt. Wellenleiter 1/2, Beugungsgitter 4 und als Zusatzschicht geformter selektiv empfindlicher Stoff 5 sind in Fig. 1 beschrieben. Fällt ein Mode 8 auf das Beugungsgitter 4, so wird der Mode 8 teilweise oder vollständig ausgekoppelt. Der ausgekoppelte Laserstrahl 9 tritt unter einem bestimmten Auskopplungswinkel W2, der durch die effektive Brechzahl des Modes 8 bestimmt ist, aus dem Wellenleiter 1/2 aus. Die Erzeugung des Modes 8 ist in Fig. 3 nicht eingezeichnet. Der Mode kann beispielsweise durch Stirnflächen-Einkopplung, Prismeneinkopplung, Gittereinkopplung etc. angeregt werden (vergleiche hierzu T. Tamir, Integrated Optics, Kap. 3).
Eine Änderung der Schichtdicke der weiteren Zusatzschicht 6 bewirkt eine Änderung der effektiven Brechzahl des Modes 8 in der Gitterregion, was eine Änderung des Auskopplungswinkels W2 zur Folge hat. Diese Winkeländerung kann beispielsweise mit einem Diodenarray D2 oder einm anderen positionsempfindlichen Detektor gemessen werden.
In Fig. 4 ist ein sogenannter Bragg-Reflektor gezeigt. Aus Platzgründen sind in Fig. 4 der selektiv empfindliche Stoff 5 und die weitere Zusatzschicht 6 nicht eingezeichnet. Die für die Gitterkoppler (Fig. 2 und 3) verwendeten Beugungsgitter können auch als Bragg-Reflektoren eingesetzt werden. Ein Mode 8 wird an einem Beugungsgitter Bragg-reflektiert, falls die Bragg Bedingung erfüllt ist, d.h. falls der Glanzwinkel W3 dem Bragg-Winkel entspricht (vergleiche hierzu W. Lukosz und K.
Tiefenthaler, Optics Letters 8 (1983), 537-539). Für die Erzeugung des Modes 8 gilt das gleiche wie das zu Fig. 3 gesagte. Die Detektoren D3 und D4 messen die Intensität eines am Beugungsgitter 4 reflektierten Modes 10 und/oder die Intensität eines transmittierten Modes 11. Der Braggwinkel wird durch die effektive Brechzahl N in der Gitterregion festgelegt. Ändert sich die effektive Brechzahl N aufgrund eines Chemisorptions- oder Desorptionsprozesses, so wird die Bragg-Bedingung gestört. Die Intensitäten des reflektierten und transmittierten Modes ändern sich. Durch Messung der Lichtintensität des reflektierten Modes 10 und/oder des transmittierten Modes 11 mit den Detektoren D3 und/oder D4 kann auf die Änderung der Schichtdicke der weiteren Zusatzschicht 6 geschlossen werden.
Eine andere Messmöglichkeit besteht darin, den Glanzwinkel W3 derart zu wählen, dass die Bragg-Bedingung gerade nicht erfüllt und somit kein reflektierter Mode 10 vorhanden ist. Hat die Schichtdicke der weiteren Zusatzschicht 6 den gewünschten Wert erreicht, tritt ein reflektierter Mode 10 auf, da die Bragg-Bedingung dann erfüllt ist. Anhand des Glanzwinkels W3 und der Intensität des reflektierten Modes 10 und/oder des transmittierten Modes 11 kann auf die Änderung der Schichtdicke der weiteren Zusatzschicht 6 geschlossen werden.
Adsorbierte Makromoleküle, beispielsweise Proteine, können eine hohe Streuwirkung auf einen Mode ausüben. Dadurch kann der Mode ausserhalb der Gitterregion so stark geschwächt werden, dass eine Messung der Lichtintensität nicht mehr möglich ist. Dasselbe Argument gilt beispielsweise auch für Messsubstanzen, die das Licht schwach absorbieren. Um diesen Effekt teilweise oder vollständig zu verhindern, ist es vorteilhaft - wie in Fig. 5 gezeigt -, den wellenleitenden Film 1 ausserhalb der Gitterregion mit einer Schutzschicht 12 zu bedecken.
Diese Schutzschicht 12 kann beispielsweise eine SiO2.Schicht sein. Die Schichtdicke der Schutzschicht 12 muss so gross gewählt werden, dass ausserhalb der Gitterregion der Mode mit der Messsubstanz 3 nur reduziert oder überhaupt nicht wechselwirken kann. Die Schutzschicht 12 kann auch dazu verwendet werden, den störenden Einfluss der Befestigungsvorrichtung einer - in der Figur 5 nicht eingezeichneten - mit der Messsubstanz 3 gefüllten Küvette zu verhindern.
Aus Fig. 5 ist ferner ersichtlich, dass es vorteilhaft ist, die Schutzschicht 12 ausserhalb der Gitterregion in Form eines Tapers (also nicht in Form einer abrupten Stufe) anwachsen zu lassen.
In Fig. 2 und 4 sind Detektoren eingezeichnet, welche die Intensität des Modes 8 bzw. 10 und 11 direkt messen. Um möglichst viel Licht auf den Detektoren D1 bzw. D3 und D4 zu haben, sollten sich die Detektoren - wie in Fig. 2 und Fig. 4 ein gezeichnet - möglichst nahe der Austrittsstelle, an der der Mode den Wellenleiter 1/2 verlässt, befinden. Auch ist es vorteilhaft, wenn der wellenleitende Film 1 an der gleichen Stelle wie das Substrat endet, d.h. das Substrat 2 nicht über den wellenleitenden Film 1 hinausragt.
Eine weitere Detektionsmöglichkeit ist in Fig. 6 beschrieben, wobei hier das vom Mode 8 erzeugte Streulicht 13 mit einer Faseroptik 14 aufgefangen und einem Detektor D5 zugeführt wird. Die Intensität des Streulichtes 13 ist proportional zur Intensität des Modes 8. Das Streulicht 13 ist aufgrund von nicht vermeidbaren Inhomogenitäten im wellenleitenden Film 1 stets vorhanden. In gleicher Weise kann beim Bragg-Reflektor (siehe Fig. 4) anstatt der direkten Messung der Intensität des Modes 10 und/oder des Modes 11 die Intensität des Streulichtes des reflektierten Modes 10 und/oder des transmittierten Modes 11 gemessen werden.
Es besteht auch die Möglichkeit - wie in Fig. 7 gezeigt den Mode 8 beispielsweise mit einem zweiten Beugungsgitter 15 zuerst auszukoppeln und dann die Intensität des unter dem Winkel W4 ausgekoppelten Laserstrahls 17 mit einem Detektor D6 zu messen. Diese Intensität ist proportional zur Intensität des Modes 8. Der Auskopplungsmechanismus des zweiten Beugungsgitters 15 darf von der Messsubstanz 3 nicht gestört werden. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem in der Region des zweiten Beugungsgitters 15 eine Schutzschicht 16 den Wellenleiter 1/2 von der Messsubstanz 3 trennt oder in dieser Gitterregion überhaupt keine Messsubstanz 3 vorhanden ist (näheres zur Schutzschicht vergleiche Erläuterungen zu Fig. 5). Die Auskopplung kann aber auch über einen Prismenkoppler oder einen Taper erfolgen (vergleiche hierzu T. Tamir, Integrated Optics, Kap. 3).
Die Empfindlichkeit des integriert optischen Sensors lässt sich definieren als differentielle Änderung der effektiven Brechzahl aufgrund einer differentiellen Schichtdickenänderung der weiteren Zusatzschicht 6. Besonders hohe Empfindlichkeiten werden dann erreicht, wenn der wellenleitende Film 1 eine wesentlich höhere Brechzahl hat als das Substrat 2 und die Mess substanz 3, und wenn die Schichtdicke des wellenleitenden Films 1 etwas grösser als die Mindestschichtdicke gewählt wird.
Eine Mindestschichtdicke (die sogenannte cut-off-Schichtdicke) ist für den wellenleitenden Film 1 erforderlich, um überhaupt einen Mode in einem wellenleitenden Film 1 anregen zu können (vergleiche hierzu T. Tamir, Integrated Optics, Springer, Berlin 1979, Kap. 2). Damit möglichst hohe Empfindlichkeiten erreicht werden, empfiehlt es sich, die Brechzahl des wellenleitenden Films 1 mindestens 1%, vorzugsweise mehr als 10No grösser als diejenige des Substrates 2 zu wählen.
DESCRIPTION
The present invention relates to a sensor according to the preamble of claim 1. A known device for the detection of chemisorbate layers or chemically bound layers on surfaces is the ellipsometer, which analyzes the polarization state of the light reflected from the chemisorbate layer. This device takes up a relatively large amount of space and the measurement volume required is relatively large, which can be a great disadvantage for costly measurement substances. In addition, the measuring accuracy is limited because the measuring cell influences the polarization state of the light.
Another method of detecting chemical substances is spectrophotometry. E.E. Hardy et al. describe in Nature 257 (1975), 666-667 a spectrophotometer in which the light is guided in an optical waveguide. In this case, the optical waveguide is a quartz rod with macroscopic dimensions (the diameter of the quartz rod is approximately 1 mm), that is to say a typical multimode waveguide. The measurement method is based on the fact that the adsorption of a chemical substance on the quartz rod provided with a chemo-sensitive layer changes the light transmission of the optical waveguide.
The invention, as characterized in claim 1, solves the problem of creating a sensor which
1. enables the selective detection of substances in gaseous, liquid or solid measuring substances;
2. Can still resolve changes in surface coverage up to approximately one hundredth of a monomolecular layer;
3. requires a very small measuring volume;
4. takes up as little space as possible.
The invention is explained in more detail below with reference to drawings, for example. Show it:
Figure 1 is a schematic representation of the basic elements of the invention.
2 shows a measuring device according to the invention with a grating coupler;
3 shows a measuring device according to the invention with a grating decoupler;
4 shows a measuring device according to the invention with a Bragg reflector;
5 shows a schematic illustration of the basic elements of the invention, the waveguide being covered with a protective layer outside the grating region;
6 shows a device according to the invention for measuring the intensity of the guided light wave, the scattered light generated by the guided light wave being collected with a fiber optic and fed to a detector;
;
7 shows a device according to the invention for measuring the intensity of the guided light wave, for which purpose the guided light wave is coupled out via a second diffraction grating.
The basic component of the integrated optics is the planar waveguide. This consists of a thin dielectric layer that is located on a substrate. Coupled laser light can be guided in this thin layer by total reflection. The propagation speed of such a guided light wave (hereinafter referred to as mode) is c / N, c being the speed of light and N the effective refractive index of the mode propagating in the waveguide.
The effective refractive index N is determined by the configuration of the waveguide (layer thickness and refractive index of the thin layer and refractive index of the substrate).
The sensor principle is based on the fact that a change in the configuration of the waveguide results in a change in the effective refractive index N, which is to be understood as a complex variable. The configuration can be changed by attaching an additional layer to the thin layer, because an attached additional layer has the effect of increasing the layer thickness of the thin layer.
A selective detection of substances can now be achieved by applying a selectively sensitive substance in the form of an additional layer to the thin layer, which selectively detects a substance contained and to be detected in the measuring substance by chemical bonding or by chemisorption, adsorption or absorption binds and thus leads to an increase in the thickness of this additional layer and thus to a change in the effective refractive index. A change in the effective refractive index caused in this way can be detected, for example, with a grating coupler and / or grating coupler or with a Bragg reflector. The mode of operation of the grating coupler or the Bragg reflector is described with the aid of the figures.
Fig. 1 shows a schematic representation of the basic elements of the invention. A thin layer is in the form of a waveguiding planar film 1 (for example a glass-like SiO2-TiO2 layer) on a substrate 2 (for example a borosilicate glass). The waveguiding film 1 and the substrate 2 together form the so-called waveguide 1/2. So that laser light can propagate in the wave-guiding film 1 via total reflection, the refractive index of the wave-guiding film 2 must be greater than that of the substrate 2 and the measuring substance 3. The waveguiding film 1 can have a microporous structure, as can be achieved, for example, in film production using a dip coating process.
A diffraction grating 4 of length L is located on either the surface of the waveguiding film 1 facing the substrate 2 or the measuring substance 3 or also in the volume thereof (for the waveguide and grating production, see e.g. W. Lukosz and K.
Tiefenthaler, Optics Letters 8 (1983), 537-539).
The diffraction grating 4 serves for the diffraction of laser light, the diffraction being significantly influenced by the effective refractive index N.
The wave-guiding film 1 is covered, at least in the grating region, with a selectively sensitive substance 5 which is formed as an additional layer and which enables selective detection of a substance contained in the measuring substance 3. The substance 3 to be examined, which is also referred to as the measuring substance, is applied to the selectively sensitive substance 5 at least in the region of the diffraction grating 4.
The selectively sensitive substance 5 is thus of such a nature that it selectively chemically binds or chemisorbs, adsorbs or absorbs only a specific substance that is present in the measuring substance 3. The substance bound in this way forms a further additional layer 6. The selectivity can be used, for example, to identify antigen-antibody couplings in biochemistry. In this example, if the selectively sensitive substance 5 formed as an additional layer consists of a specific antigen, then an antigen-antibody coupling takes place precisely when the antibody corresponding to the antigen is present in the measuring substance 3. In this example, the additional layer 6 consists of antibodies.
The function of antigen and antibody can also be exchanged, i.e. the selectively sensitive substance 5 can also be made up of antibodies.
The chemically binding or chemisorbing, adsorbing or absorbing selectively sensitive substance 5 can be present as an additional layer and / or can only be present in the micropores of the waveguiding film 1. In the latter case, chemical bonding or chemisorption, adsorption or absorption takes place in the waveguiding film 1 itself. If, for example, the micropores are filled with a picrate dye, cyan vapors can be selectively detected with the present sensor (cf. E.E. Hardy et al., Nature 257 (1975), 666-667). In this example, the selective adsorption is also associated with a color change of the selectively sensitive substance.
2, a laser beam 7 can be coupled into a waveguide 1/2 via a diffraction grating 4 and run along the waveguide 1/2 in the form of a mode 8. It does not matter whether the laser beam 7 falls on the diffraction grating 4 from the substrate side or from the measurement substance side. For example, a helium-neon laser or a semiconductor laser can be used as the laser. The coupling condition is a resonance condition and is characterized in that depending on the waveguide configuration, i.e. depending on the effective refractive index, the angle of incidence W1 of the laser beam 7 must be chosen accordingly in order to achieve a maximum intensity of the mode 8.
The angle of incidence W1 of the laser beam 7 is consequently determined by the effective refractive index N of the excited mode 8, which essentially depends on the refractive indices of the media involved in the waveguide, the layer thickness of the waveguiding film 1 and the refractive index and layer thickness of the selectively sensitive substance formed as an additional layer 5 and the additional layer 6 is determined. If, for example, the effective refractive index N of the mode 8 is changed as a result of a chemisorption or desorption process, the originally selected angle of incidence W1 is no longer optimal, so that the intensity of the mode 8 changes.
The change in the effective refractive index N can now be measured in two different ways.
In the case of small effective changes in the refractive index, the change in the light intensity of the mode 8 can be measured with the aid of a detector D1, so that the change in the effective refractive index and thus the state of the chemisorption or desorption process can be concluded. This measurement method is suitable for measuring effective changes in refractive index that are smaller than the half-value width of the resonance coupling curve. The full width at half maximum of the resonance coupling curve depends on the extent L of the diffraction grating due to the uncertainty principle (compare K. Tiefenthaler and W.
Lukosz, Optics Letters 9 (1984), 137-139). With a grating length L = 6 mm and a wavelength of 633 nm, changes in the surface coverage of one hundredth of a monomolecular layer, for example an H20 layer, can still be resolved.
In the case of effective changes in the refractive index that are greater than the half-value width of the resonance coupling curve, the registration is carried out by optimizing the light intensity of the mode 8 by adjusting the angle of incidence W1 of the laser beam 7 so that the intensity of the mode 8 is always at a maximum. Due to the change in the angle of incidence W1, the change in the effective refractive index of the mode 8 can be concluded. It is also possible to choose the angle of incidence W1 on the basis of calculations such that a mode 8 of maximum intensity only arises when the thickness of the further additional layer has reached a desired value.
3 shows a measuring device according to the invention with a grating decoupler. Waveguide 1/2, diffraction grating 4 and selectively sensitive material 5 formed as an additional layer are described in FIG. 1. If a mode 8 falls on the diffraction grating 4, the mode 8 is partially or completely decoupled. The outcoupled laser beam 9 emerges from the waveguide 1/2 at a certain outcoupling angle W2, which is determined by the effective refractive index of the mode 8. The generation of mode 8 is not shown in FIG. 3. The mode can be excited, for example, by end face coupling, prism coupling, grating coupling, etc. (see T. Tamir, Integrated Optics, Chapter 3).
A change in the layer thickness of the additional layer 6 causes a change in the effective refractive index of the mode 8 in the grating region, which results in a change in the coupling-out angle W2. This change in angle can be measured, for example, using a diode array D2 or another position-sensitive detector.
A so-called Bragg reflector is shown in FIG. For reasons of space, the selectively sensitive substance 5 and the further additional layer 6 are not shown in FIG. 4. The diffraction gratings used for the grating couplers (FIGS. 2 and 3) can also be used as Bragg reflectors. Mode 8 is Bragg reflected on a diffraction grating if the Bragg condition is met, i.e. if the gloss angle W3 corresponds to the Bragg angle (compare W. Lukosz and K.
Tiefenthaler, Optics Letters 8 (1983), 537-539). The same applies to the generation of the mode 8 as that stated for FIG. 3. The detectors D3 and D4 measure the intensity of a mode 10 reflected on the diffraction grating 4 and / or the intensity of a transmitted mode 11. The Bragg angle is determined by the effective refractive index N in the grating region. If the effective refractive index N changes due to a chemisorption or desorption process, the Bragg condition is disturbed. The intensities of the reflected and transmitted modes change. By measuring the light intensity of the reflected mode 10 and / or the transmitted mode 11 with the detectors D3 and / or D4, the change in the layer thickness of the further additional layer 6 can be concluded.
Another measurement option is to select the glancing angle W3 in such a way that the Bragg condition is not currently met and thus there is no reflected mode 10. If the layer thickness of the additional layer 6 has reached the desired value, a reflected mode 10 occurs, since the Bragg condition is then fulfilled. The change in the layer thickness of the further additional layer 6 can be concluded from the gloss angle W3 and the intensity of the reflected mode 10 and / or the transmitted mode 11.
Adsorbed macromolecules, for example proteins, can exert a high scattering effect on a fashion. As a result, the mode outside the grid region can be weakened so much that it is no longer possible to measure the light intensity. The same argument applies, for example, to measuring substances that absorb light weakly. In order to partially or completely prevent this effect, it is advantageous - as shown in FIG. 5 - to cover the waveguiding film 1 outside the lattice region with a protective layer 12.
This protective layer 12 can be an SiO 2 layer, for example. The layer thickness of the protective layer 12 must be chosen so large that outside the lattice region of the fashion can only interact with the measuring substance 3 in a reduced manner or not at all. The protective layer 12 can also be used to prevent the disruptive influence of the fastening device of a cuvette filled with the measuring substance 3 (not shown in FIG. 5).
It can also be seen from FIG. 5 that it is advantageous to allow the protective layer 12 to grow outside the grid region in the form of a taper (ie not in the form of an abrupt step).
2 and 4, detectors are shown, which measure the intensity of the mode 8 or 10 and 11 directly. In order to have as much light as possible on the detectors D1 or D3 and D4, the detectors - as shown in FIGS. 2 and 4 - should be as close as possible to the exit point at which the mode leaves the waveguide 1/2 . It is also advantageous if the waveguiding film 1 ends at the same point as the substrate, i.e. the substrate 2 does not protrude beyond the waveguiding film 1.
A further detection possibility is described in FIG. 6, in which case the scattered light 13 generated by mode 8 is collected with a fiber optic 14 and fed to a detector D5. The intensity of the scattered light 13 is proportional to the intensity of the mode 8. The scattered light 13 is always present in the waveguiding film 1 due to unavoidable inhomogeneities. In the same way, the intensity of the scattered light of the reflected mode 10 and / or the transmitted mode 11 can be measured in the Bragg reflector (see FIG. 4) instead of directly measuring the intensity of the mode 10 and / or the mode 11.
There is also the possibility, as shown in FIG. 7, of first coupling out the mode 8, for example with a second diffraction grating 15, and then measuring the intensity of the laser beam 17 coupled out at an angle W4 using a detector D6. This intensity is proportional to the intensity of the mode 8. The coupling-out mechanism of the second diffraction grating 15 must not be disturbed by the measuring substance 3. This can be achieved, for example, by a protective layer 16 separating the waveguide 1/2 from the measuring substance 3 in the region of the second diffraction grating 15 or no measuring substance 3 being present at all in this grating region (for more information on the protective layer, see explanations to FIG. 5). The decoupling can also be done via a prism coupler or a taper (see T. Tamir, Integrated Optics, Chapter 3).
The sensitivity of the integrated optical sensor can be defined as a differential change in the effective refractive index due to a differential change in the layer thickness of the further additional layer 6. Particularly high sensitivities are achieved when the waveguiding film 1 has a significantly higher refractive index than the substrate 2 and the measurement substance 3 , and if the layer thickness of the waveguiding film 1 is chosen to be somewhat larger than the minimum layer thickness.
A minimum layer thickness (the so-called cut-off layer thickness) is required for the wave-guiding film 1 in order to be able to stimulate a fashion in a wave-guiding film 1 at all (cf. T. Tamir, Integrated Optics, Springer, Berlin 1979, Chapter 2). . In order to achieve the highest possible sensitivity, it is advisable to choose the refractive index of the waveguiding film 1 to be at least 1%, preferably more than 10No, greater than that of the substrate 2.