DE69830529T2

DE69830529T2 - Oberflächen-Plasmonen-Sensor

Info

Publication number: DE69830529T2
Application number: DE69830529T
Authority: DE
Inventors: Masayuki Ashigarakami-gun Naya
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 1997-02-07
Filing date: 1998-02-03
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2018-02-04
Also published as: EP0863395B1; US5923031A; DE69830529D1; EP0863395A3; EP0863395A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Oberflächenplasmonensensor gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiger Sensortyp (beispielsweise bekannt aus der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung Nr. 6(1994)-167443 kann dazu dienen, quantitativ eine Substanz in einer Probe unter Ausnutzung des Auftretens von Oberflächenplasmonen zu analysieren. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere einen Oberflächenplasmonensensor, bei dem eine Lichtstrahl-Kopplereinrichtung und ein Metallfilm, welcher als Sensoreinrichtung fungiert, voneinander beabstandet sind. Die Erfindung betrifft ferner einen Oberflächenplasmonensensor, der eine Messung durch ein- oder zweidimensionales Abtasten ermöglicht. Die Erfindung betrifft außerdem einen Oberflächenplasmonensensor, der mit einer verbesserten Lichtstrahl-Kopplereinichtung ausgestattet ist.
Beschreibung des Standes der Technik
In Metallen schwingen freie Elektronen kollektiv, und hierdurch wird eine als Plasmawelle bezeichnete Druckwelle erzeugt. Die auf der Metalloberfläche auftretende, quantisierte Druckwelle wird als Oberflächenplasmon bezeichnet.
Bislang wurden unterschiedliche Oberflächenplasmonensensoren zum quantitativen Analysieren einer in einer Probe enthaltenen Substanz unter Ausnutzung eines Phänomens vorgeschlagen, bei dem das Oberflächenplasmon durch eine Lichtwelle angeregt wird. Als einer der bekannten Oberflächenplasmonensensoren wurde ein Sensor erwähnt, der ein System verwendet, welches als Kretschman-Anordnung bezeichnet wird.
Grundsätzlich enthält der das als Kretschman-Anordnung bezeichnete System verwendende Oberflächenplasmonensensor: (i) ein Prisma, (ii) einen Metallfilm, der auf einer Oberflächenseite des Prismas ausgebildet und mit einer Probe in Berührung gebracht ist, (iii) eine Lichtquelle zum Erzeugen eines Lichtstrahls, (iv) eine Optik, die den Lichtstrahl dazu bringt, das Prisma zu durchlaufen und auf die Grenzfläche zwischen dem Prisma und dem Metallfilm aufzutreffen, demzufolge verschiedene Einfallwinkel in Bezug auf die Grenzfläche erhalten werden, und (v) eine Photodetektoreinrichtung, die in der Lage ist, die Intensität des an der Grenzfläche totalreflektierten Lichtstrahls zu detektieren in Abhängigkeit jedes der unterschiedlichen Einfallwinkel.
Damit unterschiedliche Einfallwinkel erhalten werden, kann man ein Goniometer verwenden, mit welchem ein Lichtstrahlsystem gedreht wird. Das Goniometer ist beispielsweise in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung Nr. 6(1994)-50882 offenbart. Alternativ kann eine Optik verwendet werden, bei der ein Lichtstrahl mit einem vergleichsweise großen Strahldurchmesser an der Grenzfläche zwischen dem Prisma und dem Metallfilm zum Konvergieren gebracht wird, so daß der Lichtstrahl Komponenten enthalten kann, die unter verschiedenen Einfallwinkeln auf die Grenzfläche auftreffen. In dem zuerst genannten Fall läßt sich der unter verschiedenen Reflexionswinkeln an der Grenzfläche abhängig von der Ablenkung des einfallenden Lichtstrahls reflektierte Lichtstrahl mit einem kleinen Photodetektor erfassen, welcher synchron mit der Ablenkung des Lichtstrahls bewegt wird, oder er kann mit einem Flächensensor erfaßt werden, der sich in die Richtung erstreckt, entlang der der Reflexionswinkel des Lichtstrahls sich ändert. In letzterem Fall kann der Lichtstrahl mit einem Flächensensor erfaßt werden, der sich in einer Richtung erstreckt, in welcher der Flächensensor sämtliche Lichtstrahlkomponenten empfangen kann, die unter verschiedenen Reflexionswinkeln an der Grenzfläche reflektiert wurden.
Wenn ein Lichtstrahl unter einem Einfallwinkel θ, der nicht kleiner als der Totalreflexionswinkel ist, auf den Metallfilm auftrifft, kommt es in dem als Reflexionsfläche fungierenden Metallfilm zu einer entweichenden Welle, die als schwindende Welle bezeichnet wird. Die schwindende Welle besitzt eine elektrische Feldverteilung in der Probe, die in Berührung mit dem Metallfilm steht, und das Oberflächenplasmon tritt an der Grenzfläche zwischen Metallfilm und Probe in Erscheinung. In solchen Fällen, in denen der Wellenvektor der schwindenden Welle, die aufgetreten ist, als der aus einer P-polarisierten Lichtkomponente bestehende Lichtstrahl auf den Metallfilm auftraf, übereinstimmt mit dem Wellenvektor des Oberflächenplasmons, und eine Anpassung der Wellenzahl erreicht ist, gelangen die schwindende Welle und das Oberflächenplasmon in Resonanz, und die Lichtenergie überträgt sich auf das Oberflächenplasmon. Als Folge davon wird das Oberflächenplasmon angeregt. Dabei wird die Intensität des von dem Metallfilm totalreflektierten Lichts deutlich geringer, bedingt durch den Transfer der Lichtenergie.
Mit dem oben beschriebenen Oberflächenplasmonensensor wird also der Lichtstrahl dazu gebracht, unter verschiedenen Einfallwinkeln θ auf den Metallfilm aufzutreffen. Außerdem wird in Bezug auf jeden der verschiedenen Einfallwinkel θ die Intensität des an dem Metallfilm totalreflektierten Lichtstrahls detektiert. Auf diese Weise läßt sich ein Einfallwinkel θ_sp (im folgenden als Totalreflexionswinkel oder ATR-Winkel bezeichnet), bei dem das Phänomen einer deutlichen Intensitätsabnahme des reflektierten Lichtstrahls in Erscheinung tritt, herausfinden. Aus dem ATR-Winkel θ_sp läßt sich eine Resonanzwellenzahl K_sp ableiten, und davon wieder der Wellenvektor K_l des einfallenden Lichts aufgrund der Beziehung K_sp = K_lsinθ_sp. Wenn die Wellenzahl K_sp des Oberflächenplasmons gefunden ist, läßt sich die Dielektrizitätskonstante der Probe berechnen. Insbesondere erhält man folgende Formel:
wobei ω die Kreisfrequenz des Oberflächenplasmons, c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, ε_m die Dielektrizitätskonstante des Metalls und ε_s die Dielektrizitätskonstante der Probe ist.
Wenn die Dielektrizitätskonstante ε_s der Probe aufgefunden ist, läßt sich die Konzentration der in der Probe enthaltenen spezifischen Substanz aus beispielsweise einer vorbestimmten Eichkurve errechnen. Folglich läßt sich die in der Probe enthaltene spezifische Substanz quantitativ dadurch analysieren, daß der ATR-Winkel θ_sp ermittelt wird, bei dem die Intensität des reflektierten Lichtstrahls gering wird.
Bei dem Beispiel des Oberflächenplasmonensensors, welches oben erläutert wurde, wird der als Sensoreinrichtung fungierende Metallfilm direkt auf einer Oberfläche des Prismas gebildet, welches als Lichtstrahlkoppler fungiert. Tatsächlich läßt sich jedoch aus gerätebaulichen Gründen der Oberflächenplasmonensensor mit einem Aufbau gestalten, bei dem der Metallfilm als von dem Koppler unabhängiger Film gebildet wird. Insbesondere wird der Metallfilm auf einer Oberfläche eines transparenten Substrats gebildet, welches aus Glas bestehen kann. (Die Kombination des transparenten Substrats und des Metallfilms auf dem transparenten Substrat wird im folgenden als Sensoreinheit bezeichnet). Außerdem wird die andere Oberfläche des transparenten Substrats in enge Berührung mit dem Koppler gebracht. Bislang befindet sich dann, wenn eine derartige getrennte Bauform verwendet wird, eine Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit an der Verbindungsstelle zwischen der Sensoreinheit und dem Koppler, und hierdurch gelangen Sensoreinheit und Koppler in enge Berührung miteinander, während die Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit sich zwischen ihnen befindet, demzufolge abträgliche Einflüsse durch Reflexion und Mehrfachreflexion aufgrund einer Luftschicht einer Verbindungsstelle ausgeschaltet werden können.
Nachteilig allerdings bei dem Aufbau mit der Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit am Verbindungsbereich zwischen Sensoreinheit und dem Koppler, wobei Sensoreinheit und Koppler in enge Berührung mit dazwischenliegender Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit gebracht sind, ist allerdings der beträchtliche Zeit- und Arbeitsaufwand, der erforderlich ist, um die Sensoreinheit aufzubauen und abzubauen. Da der Austausch der Sensoreinheit sehr häufig durchgeführt wird, ist es wünschenswert, diesen Austausch der Sensoreinheit möglichst einfach ausführen zu können. Außerdem läßt sich die Dicke der Schicht aus der Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit zwischen dem Koppler und der Sensoreinheit nicht so einfach auf einem vorbestimmten Wert halten. Eine Ungleichmäßigkeit der Dicke der Schicht der Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit, die speziell beim Austausch der Sensoreinheit oder dergleichen entsteht, hat abträglichen Einfluß auf die Meßgenauigkeit des Oberflächenplasmonensensors.
Die EP-A1-0 341 928 zeigt einen Oberflächenplasmonensensor, bei dem zwischen dem transparenten Substrat und einer weiteren Wand eines Gehäuses ein Raum ausgebildet ist, der eine Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit aufnimmt, wobei die Wand mit einem Längsschlitz versehen ist, durch den ein Paar Reflektoren die Flüssigkeit durchdringen, wobei zu einer Lichtquelle ein erster Deflektor gehört und zu einem Lichtdetektor ein weiterer Deflektor gehört. Die Reflektoren, die mit der Lichtquelle verbunden sind, und der Detektor werden durch die Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit bewegt, um über eine Abtastlinie des Metallfilms zu fahren.
Gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 zeigt die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 6(1994)-167443 einen Oberflächenplasmonensensor mit einem transparenten Substrat, wobei sich auf der einen Seite ein Metallfilm befindet und mit der anderen Seite ein Prisma über eine Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit gekoppelt ist.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Oberflächenplasmonensensors, bei dem es einfach ist, eine Sensoreinheit in den Oberflächenplasmonensensor einzupassen, und bei dem die Beziehung zwischen Stellungen der Sensoreinheit und eines Kopplers konstant gehalten wird.
Erreicht wird dieses Ziel durch die Merkmale des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind durch die abhängigen Ansprüche definiert.
Die vorliegende Erfindung schafft einen Oberflächenplasmonensensor mit einfachem Aufbau, bei dem eine ein- oder zweidimensionale Abtastung über eine große Fläche hinweg durchgeführt werden kann.
Erfindungsgemäß treten in dem Oberflächenplasmonensensor keine Mehrfachreflexions-Störungen von Licht auf, die Größe der Optik wird kleingehalten, und es werden unterschiedliche Einfallwinkel des Lichtstrahls an der Grenzfläche mit einem einfachen optischen System erhalten.
Darüber hinaus werden unterschiedliche Einfallwinkel des Lichtstrahls an der Grenzfläche mit Hilfe einer einfachen Optik erhalten, und man kann eine ein- oder zweidimensionale Abtastung durchführen, demzufolge Analysen mehrerer Proben unter gleichen Bedingungen durchgeführt werden können, oder aber zweidimensionale Information gewonnen werden kann, welche repräsentativ ist für physikalische Eigenschaften einer in einer Probe enthaltenen Substanz.
In dem erfindungsgemäßen Oberflächenplasmonensensor ist beispielsweise die Sensoreinheiten-Trägereinrichtung an einem Teil der Kopplereinrichtung befestigt.
Damit der erwähnte Raum mit der Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit gefüllt wird, kann die im folgenden beschriebene Ausgestaltung verwendet werden. Insbesondere kann der erfindungsgemäße erste Oberflächenplasmonensensor eine Anpaßflüssigkeits-Zuführeinrichtung aufweisen, welche die Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit in den Raum leitet,
ferner ein Leerelement, welches mit dem Raum in Verbindung steht und ermöglicht, daß die Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit in eine Stelle eingeleitet wird, die höher gelegen ist als die andere Oberfläche des transparenten Substrats,
wobei die Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit von der Anpaßflüssigkeits-Zuführeinrichtung in den Raum geleitet wird.
Alternativ kann ein Flüssigkeitsreservoir zur Aufnahme der Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit auf der Seite der Kopplereinrichtung ausgebildet sein, welche dem transparenten Substrat gegenüberliegt,
das transparente Substrat kann mit einer wasserdichten Wand ausgestattet sein, welche den Metallfilm umgibt, und
die Sensoreinheit kann in dem Flüssigkeitsreservoir derart gelagert sein, daß die andere Fläche des transparenten Substrats in die Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit eingetaucht sein kann.
In diesem Zustand kann der erwähnte Raum mit der Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit gefüllt werden.
Der Lichtstrahleintrittsbereich und der Lichtstrahlabstrahlbereich können in dem Prisma ausgebildet sein.
Alternativ kann sowohl der Lichtstrahleintrittsbereich als auch der Lichtstrahlabstrahlbereich der Kopplereinrichtung durch ein Beugungsgitter gebildet sein.
Als weitere Alternative kann die Kopplereinrichtung mit einem konvexen Bereich auf der Seite der Kopplereinrichtung ausgestattet sein, welche der Seite abgewandt ist, die dem transparenten Substrat gegenüberliegt, wobei
sowohl die Seitenfläche des konvexen Bereichs als auch die andere Seitenfläche, die der einen Seitenfläche abgewandt ist, durch eine transparente Platte gebildet wird, wobei die Zone im Inneren des konvexen Bereichs mit der Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit gefüllt ist, und
die eine Seitenfläche und die andere Seitenfläche des konvexen Bereichs als Lichtstrahleintrittsbereich bzw. als Lichtstrahlabstrahlbereich fungieren.
Der Begriff „Kopplereinrichtung" bedeutet hier eine Gruppe verschiedener Einrichtungen zum Koppeln des auf die Grenzfläche zwischen dem transparenten Substrat und dem Metallfilm unter Oberflächenplasmonenresonanz erzeugenden Bedingungen auftreffenden Lichtstrahls.
Der erfindungsgemäße Oberflächenplasmonensensor läßt sich derart modifizieren, daß das transparente Substrat der Sensoreinheit gebildet wird durch ein transparentes Hauptsubstrat und ein transparentes Trägersubstrat, die den vorbestimmten Brechungsindex aufweisen und in inniger Berührung miteinander stehen, wobei der Metallfilm sich auf dem transparenten Hauptsubstrat befindet und das transparente Trägersubstrat derart angeordnet ist, daß es der Kopplereinrichtung mit der dazwischen befindlichen Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit gegenüberliegt.
Auch in solchen Fällen können das transparente Hauptsubstrat und das transparente Trägersubstrat in enger Berührung miteinander über die Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit stehen, deren Brechungsindex annähernd gleich dem vorbestimmten Brechungsindex ist.
Außerdem läßt sich der erfindungsgemäße Oberflächenplasmonensensor derart modifizieren, daß auf dem Metallfilm ein Bond-Reaktionsfilm vorhanden ist und der Oberflächenplasmonensensor eine spezifische Substanz detektieren kann, die mit dem Bond-Reaktionsfilm eine Bindungsreaktion eingeht. Beispielsweise kann der „Bond-Reaktionsfilm" ein Film sein, an welchem ein Antigen (oder ein Antikörper) fixiert wurde, welches eine Antigen-Antikörper-Reaktion eingehen kann, während die „spezifische Substanz, die in der Lage ist, mit dem Bond-Reaktionsfilm" eine Bindungsreaktion einzugehen, der Antikörper (oder das Antigen) sein kann.
Der erfindungsgemäße Plasmonensensor sollte bei einer Ausführungsform gemäß Anspruch 11 vorzugsweise sowohl die Einfallpositions-Verschiebungseinrichtung als auch die Sensoreinheiten-Relativbewegungseinrichtung aufweisen, wobei außerdem
die vorbestimmte Richtung, entlang der die unterschiedlichen Positionen an der Grenzfläche durch den Verschiebungsvorgang eingenommen werden, der von der Einfallpositions-Verschiebeeinrichtung durchgeführt wird, und die vorbestimmte Richtung, entlang der die Sensoreinheit gegenüber der Kopplereinrichtung von der Sensoreinheiten-Relativbewegungseinrichtung bewegt wird, vorzugsweise einander schneiden.
Bei diesem Oberflächenplasmonensensor kann die Einfallpositions-Verschiebungseinrichtung eine Einrichtung wie beispielsweise eine telezentrische Abtastoptik sein, mit der der konvergierte Lichtstrahl von einer Lichtquellenoptik, die mit einem Galvanometerspiegel oder dergleichen ausgestattet ist, abgelenkt wird, so daß die Einfallposition verschoben wird. Alternativ kann die Einfallpositions-Verschiebungseinrichtung eine Einrichtung sein, in der eine Lichtquellenoptik mechanisch bewegt wird, um auf diese Weise die Einfallposition zu verschieben.
Außerdem kann die Sensoreinheiten-Relativbewegungseinrichtung zum Bewegen der Sensoreinheit gegenüber der Kopplereinrichtung eine Bewegungseinrichtung sein, welche die Sensoreinheit selbst bewegt. Alternativ kann die Sensoreinheiten-Relativbewegungseinrichtung zum Bewegen der Sensoreinheit gegenüber der Kopplereinrichtung eine Bewegungseinrichtung sein, die die Kopplereinrichtung bewegt, während die Sensoreinheit festgehalten wird.
Bei dem Oberflächenplasmonensensor gemäß Anspruch 11 kann beispielsweise die Sensoreinheiten-Trägereinrichtung an einem Teil der Kopplereinrichtung angebracht sein.
Alternativ kann der Oberflächenplasmonensensor nach Anspruch 11 derart ausgebildet sein, daß eine optische Lichtquelleneinrichtung zum Erzeugen des Lichtstrahls und zum Veranlassen, daß der Lichtstrahl in den Lichtstrahleintrittsbereich eintritt, eine Detektor einrichtung zum Nachweisen eines gedämpften Totalreflexionswinkels gegenüber dem aus dem Lichtstrahlabstrahlbereich ausgestrahlten Lichtstrahl, und die Kopplereinrichtung auf einer Basis angeordnet sein,
die Sensoreinheiten-Trägereinrichtung kann auf der Basis angeordnet und an dieser fixiert sein,
die Sensoreinheit kann von der Sensoreinheiten-Trägereinrichtung derart gehaltert werden, daß die Sensoreinheit sich gegenüber der Kopplereinrichtung bewegen kann, und
die Sensoreinheiten-Relativbewegungseinrichtung kann die Sensoreinheit bewegen.
Als weitere Alternative kann der Oberflächenplasmonensensor nach Anspruch 11 derart ausgebildet sein, daß die Sensoreinheiten-Trägereinrichtung auf einer Basis angeordnet und daran befestigt ist,
die Sensoreinheit von der Sensoreinheiten-Trägereinrichtung fest gehaltert wird,
auf der Basis eine optische Systemeinheit derart angeordnet ist, daß diese Einheit gegenüber der Sensoreinheit bewegt werden kann, wobei die optische Systemeinheit eine optische Lichtquelleneinrichtung zum Erzeugen des Lichtstrahls und zum Veranlassen, daß der Lichtstrahl in den Lichtstrahleintrittsbereich eintritt, eine Detektoreinrichtung zum Nachweisen eines gedämpften Totalreflexionswinkels θ_sp gegenüber dem aus dem Lichtstrahlabstrahlbereich abgestrahlten Lichtstrahl, und die Kopplereinrichtung aufweist, und
die Sensoreinheiten-Relativbewegungseinrichtung die optische Systemeinheit bewegt.
Als eine weitere Alternative kann der Oberflächenpiasmonensensor nach Anspruch 11 derart ausgebildet sein, daß die Sensoreinheiten-Trägereinrichtung auf einer Basis angeordnet und daran befestigt sein kann,
die Sensoreinheit von der Sensoreinheiten-Trägereinrichtung derart gehaltert wird, daß die Sensoreinheit gegenüber der Kopplereinrichtung bewegt werden kann,
die Sensoreinheiten-Relativbewegungseinrichtung die Sensoreinheit bewegt,
sich auf der Basis eine optische Systemeinheit befindet, umfassend eine optische Einrichtung für eine Lichtquelle, welche den Lichtstrahl veranlaßt, in den Lichtstrahleintrittsbereich einzutreten, außerdem eine optische Einrichtung für eine Detektoreinrichtung, welche den Lichtstrahl der Detektoreinrichtung zuleitet zum Nachweisen eines gedämpften Totalreflexionswinkels θ_sp gegenüber dem Lichtstrahl, welcher von dem Lichtstrahlabstrahlbereich abgestrahlt wird, und die Kopplereinrichtung, und
wobei die Lichtquelle zum Erzeugen des Lichtstrahls und die Detektoreinrichtung lösbar an der Basis an von der optischen Systemeinheit unabhängigen Stellen angeordnet sind.
Als weitere Alternative kann der Oberflächenplasmonensensor nach Anspruch 11 derart ausgebildet sein, daß die Sensoreinheiten-Trägereinrichtung auf einer Basis angeordnet und daran befestigt ist, wobei
die Sensoreinheit von der Sensoreinheiten-Trägereinrichtung fest gehaltert wird,
an der Basis eine optische Systemeinheit derart angebracht ist, daß diese gegenüber der Sensoreinheit bewegt werden kann, wobei die optische Systemeinheit aufweist: eine optische Einrichtung für eine Lichtquelle, die den Lichtstrahl dazu bringt, in den Lichtstrahleintrittsbereich einzutreten, eine optische Einrichtung für eine Detektoreinrichtung, welche den Lichtstrahl der Detektoreinrichtung zum Nachweisen eines gedämpften Totalreflexionswinkels θ_sp gegenüber dem aus dem Lichtstrahlabstrahlbereich abgestrahlten Lichtstrahl leitet, und die Kopplereinrichtung,
wobei die Sensoreinheiten-Relativbewegungseinrichtung die optische Systemeinheit bewegt, und
die Lichtquelle zum Erzeugen des Lichtstrahls und die Detektoreinrichtung lösbar auf der Basis an Stellen unabhängig von der optischen Systemeinheit angeordnet sind.
Als weitere Alternative kann der Oberflächenplasmonensensor gemäß Anspruch 11 derart ausgebildet sein, daß die Sensoreinheiten-Trägereinrichtung auf einer Basis angeordnet und daran befestigt ist,
die Sensoreinheit von der Sensoreinheiten-Trägereinrichtung derart gehaltert werden kann, daß die Sensoreinheit gegenüber der Kopplereinrichtung bewegt werden kann,
die Sensoreinheiten-Relativbewegungseinrichtung die Sensoreinheit bewegt,
eine optische Systemeinheit auf der Basis angeordnet ist, wobei die optische Systemeinheit umfaßt: eine optische Einrichtung für eine Lichtquelle, die den Lichtstrahl veranlaßt, in den Lichtstrahleintrittsbereich einzutreten, eine Detektoreinrichtung zum Nachweisen eines gedämpften Totakeflexionswinkels θ_sp gegenüber dem Lichtstrahl, der von dem Lichtstrahlabstrahlbereich abgestrahlt wurde, und die Kopplereinrichtung, und
wobei die Lichtquelle zum Erzeugen des Lichtstrahls unabhängig außen an der Basis angebracht ist.
Als weitere Alternative kann der Oberflächenplasmonensensor nach Anspruch 11 derart ausgebildet sein, daß die Sensoreinheiten-Trägereinrichtung auf einer Basis angeordnet und daran befestigt sein kann,
die Sensoreinheit von der Sensoreinheiten-Trägereinrichtung fixiert gehaltert wird,
eine optische Systemeinheit auf der Basis derart angeordnet sein kann, daß die Einheit gegenüber der Sensoreinheit bewegt werden kann, die optische Systemeinheit umfaßt: eine optische Einrichtung für eine Lichtquelle, die den Lichtstrahl dazu bringt, in den Lichtstrahleintrittsbereich einzutreten, eine Detektoreinrichtung zum Nachweisen eines gedämpften Totalreflexionswinkels θ_sp gegenüber dem Lichtstrahlabstrahlbereich abgestrahlten Lichtstrahl, und die Kopplereinrichtung,
wobei die Sensoreinheiten-Relativbewegungseinrichtung die optische Systemeinheit bewegen kann, und
die Lichtquelle zum Erzeugen des Lichtstrahls unabhängig außen an der Basis angebracht ist.
Bei den zwei zuletzt angegebenen Alternativen kann der Oberflächenplasmonensensor mit einer optischen Faser zum Leiten des Lichtstrahls, der von der Lichtquelle erzeugt wurde, zu der optischen Einrichtung für die Lichtquelle ausgestattet sein. Die optische Faser ist vorzugsweise vom Polarisationsebenen-Erhaltungstyp.
Bei dem Oberflächenplasmonensensor gemäß Anspruch 11 kann, damit der genannte Raum mit der Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit gefüllt sein kann, von folgendem Aufbau Gebrauch gemacht werden: insbesondere kann der zweite Oberflächenplasmonensensor gemäß der Erfindung eine Anpaßflüssigkeis-Zuführeinrichtung aufweisen, welche die Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit in den Raum leitet, außerdem
ein Leerelement, welches mit dem Raum kommuniziert und ermöglicht, daß die Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit bis zu der Stelle geleitet wird, die oberhalb der anderen Fläche des transparenten Substrats liegt,
wobei die Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit von der Anpaßflüssigkeits-Zuführeinrichtung in den Raum gefüllt wird.
Alternativ kann ein Flüssigkeitsreservoir zum Speichern der Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit auf der Seite der Kopplereinrichtung ausgebildet sein, welche dem transparenten Substrat gegenüberliegt,
das transparente Substrat kann mit einer wasserdichten Wand ausgestattet sein, die den Metallfilm umgibt, und
die Sensoreinheit kann derart in dem Flüssigkeitsreservoir gelagert sein, daß die andere Fläche des transparenten Substrats in die Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit eingetaucht ist.
In diesem Zustand kann der erwähnte Raum mit der Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit gefüllt sein.
Bei dem Oberflächenplasmonensensor gemäß Anspruch 11 kann der Lichtstrahleintrittsbereich sowie der Lichtstrahlabstrahlbereich der Kopplereinrichtung in der im folgenden erläuterten Weise ausgebildet sein. Insbesondere kann die Kopplereinrichtung mit einem Prisma ausgestattet sein, und der Lichtstrahleintrittsbereich sowie der Lichtstrahlaustrittsbereich können in dem Prisma ausgebildet sein.
Alternativ kann sowohl der Lichtstrahleintrittsbereich als auch der Lichtstrahlabstrahlbereich der Kopplereinrichtung durch ein Beugungsgitter gebildet werden.
Als weitere Alternative kann die Kopplereinrichtung mit einem konvexen Bereich auf der Seite der Kopplereinrichtung ausgestattet sein, die der dem transparenten Substrat zugewandten Seite abgewandt ist, wobei
sowohl die Seitenfläche des konvexen Bereichs als auch die andere Seitenfläche, die der einen Seitenfläche abgewandt ist, durch eine transparente Platte gebildet wird,
die Zone im Inneren des konvexen Bereichs mit der Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit gefüllt ist, und
die eine Seitenfläche und die andere Seitenfläche des konvexen Bereichs als Lichtstrahleintrittsbereich bzw. Lichtstrahlabstrahlbereich fungieren.
Der Oberflächenplasmonensensor nach Anspruch 11 kann derart modifiziert werden, daß das transparente Substrat der Sensoreinheit gebildet wird durch ein transparentes Trägersubstrat und ein transparentes Hauptsubstrat auf dem transparenten Trägersubstrat, wobei
der Metallfilm sich auf dem transparenten Hauptsubstrat befindet, und
das transparente Trägersubstrat derart angeordnet ist, daß es der Kopplereinrichtung mit der dazwischen befindlichen Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit gegenüberliegt.
Alternativ kann das transparente Substrat der Sensoreinheit gebildet werden durch ein transparentes Trägersubstrat und mehrere transparente Hauptsubstrate, die sich an verschiedenen Stellen auf dem transparenten Trägersubstrat befinden, wobei
der Metallfilm sich auf jedem der mehreren transparenten Hauptsubstrate befinden kann, und
das transparente Trägersubstrat derart angeordnet sein kann, daß es der Kopplereinrichtung mit der dazwischen befindlichen Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit gegenüberliegt.
In derartigen Fällen können die mehreren transparenten Hauptsubstrate unterschiedliche Substratgrößen besitzen. Wenn das transparente Substrat der Sensoreinheit gebildet wird durch das transparente Trägersubstrat und das transparente Hauptsubstrat oder die mehreren transparenten Hauptsubstrate, so können das transparente Hauptsubstrat und das transparente Trägersubstrat in enger Berührung miteinander stehen, wobei sich zwischen ihnen eine Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit befindet, deren Brechungsindex annähernd dem vorbestimmten Brechungsindex entspricht. Außerdem sollte das transparente Hauptsubstrat vorzugsweise einfach von dem transparenten Trägersubstrat lösbar sein.
Weiterhin läßt sich der Oberflächenplasmonensensor nach Anspruch 11 in der Weise modifizieren, daß ein Bond-Reaktionsfilm auf dem Metallfilm plaziert ist, und der Sensor kann eine spezifische Substanz detektieren, die eine Bindungsreaktion mit dem Bond- Reaktionsfilm eingehen kann. Beispielsweise kann dieser „Bond-Reaktionsfilm" ein Film sein, an welchem ein Antigen (oder ein Antikörper) fixiert wurde, das in der Lage ist, eine Antigen-Antikörper-Reaktion durchzumachen, während die „spezifische Substanz, die in der Lage ist, mit dem Bond-Reaktionsfilm eine Bindungsreaktion einzugehen" der Antikörper (oder das Antigen) sein kann. Allerdings können der Bond-Reaktionsfilm und die spezifische Distanz auch andere chemische Reaktionen zeigen. In solchen Fällen, in denen mehrere transparente Hauptsubstrate vorhanden sind, können die Bond-Reaktionsfilme auf den einzelnen Metallfilmen ausgebildet sein, die sich auf den transparenten Hauptsubstraten befinden. In diesen Fällen können auf den Metallfilmen die gleichen Typen von Bond-Reaktionsfilmen ausgewählt sein, beispielsweise Bond-Reaktionsfilme, die die gleiche Art von Antikörper (oder Antigen) enthalten.
Alternativ können verschiedene Arten von Bond-Reaktionsfilmen, zum Beispiel solche, die verschiedene Arten von Antikörpern (oder Antigenen) enthalten, auf den Filmen ausgebildet sein. Ferner kann die gleiche Art von Bond-Reaktionsfilmen oder können unterschiedliche Arten von Bond-Reaktionsfilmen an verschiedenen Stellen auf einem einzigen Metallfilm ausgebildet sein. Wenn eine mit verschiedenen Arten von Bond-Reaktionsfilmen, beispielsweise den Bond-Reaktionsfilmen, die verschiedene Arten von Antikörpern (oder Antigenen) enthalten, ausgestattete Sensoreinheit verwendet wird, können auf einer einzelnen Probe an den einzelnen Bond-Reaktionsfilmen auftretende Phänomene sukzessive ermittelt werden.
Der Oberflächenplasmonensensor nach Anspruch 41 kann derart ausgebildet sein, daß das optische Hologrammelement so ausgebildet ist, daß es den einfallenden kollimierten Lichtstrahl zu einer vorbestimmten Stelle konvergiert,
eine Lichtquellen-Bewegungseinrichtung vorgesehen ist, die die Lichtquelle innerhalb einer parallel zu der Grenzfläche verlaufenden Ebene und in einer Richtung zu der vorbestimmten Stelle oder in einer Richtung weg von der vorbestimmten Stelle bewegt, und die Lichtquelle bewegt wird, wodurch der Lichtstrahl dazu gebracht wird, aus unterschiedlichen Positionen in den Lichtstrahleintrittsbereich einzutreten, und dazu gebracht wird, unter verschiedenen Einfallwinkeln und an der vorbestimmten Stelle auf die Grenzfläche aufzutreffen.
Außerdem kann bei diesem Oberflächenplasmonensensor das optische Hologrammelement Linsenfunktionen und Aberrations-Kompensationsfunktionen besitzen, wobei der Lichtstrahl von der Linsenfunktion und den Aberrations-Kompensationsfunktionen auf die vorbestimmte Stelle konvergiert wird. Alternativ kann das optische Hologrammelement Zylinderlinsenfunktionen und Aberrations-Kompensationsfunktionen besitzen, durch die der Lichtstrahl zu der vorbestimmten Stelle konvergiert wird. In ersterem Fall wird die erwähnte vorbestimmte Position als punktförmige Position erhalten. In letzterem Fall wird die vorbestimmte Position als lineare Position erhalten.
Insbesondere bedeutet der hier verwendete Ausdruck „Linsenfunktion" Funktionen zum Konvergieren oder Bündeln des einfallenden Lichtstrahls auf einen einzelnen Punkt. Ferner bedeutet der Begriff „Zylinderlinsenfunktionen" hier die Funktionen eines Brechungsindexes lediglich in einer Richtung, während der einfallende Lichtstrahl gegenüber nur der einen Richtung konvergiert wird.
Außerdem kann dieser Oberflächenplasmonensensor weiterhin eine Positionsreguliereinrichtung zum Regulieren der Position der Sensoreinheit in der Weise aufweisen, daß ein Abstand zwischen dem transparenten Substrat und der Kopplereinrichtung auf einem vorbestimmten Wert gehalten werden kann, und
eine Sensoreinheiten-Bewegungseinrichtung zum Bewegen der Sensoreinheit in eine vorbestimmte Richtung aufweist, und
wobei der Raum zwischen dem transparenten Substrat und der Kopplereinrichtung mit der Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit gefüllt ist.
Außerdem kann der Oberflächenplasmonensensor gemäß der Erfindung aufweisen: eine Auftreffstellen-Verschiebungseinrichtung zum Verschieben der Auftreffstelle des Lichtstrahls an dem Lichtstrahleintrittsbereich derart, daß der Lichtstrahl sukzessive auf unterschiedliche Stellen der Grenzfläche auftreffen kann, die entlang der gleichen Richtung wie die axiale Richtung der Zylinderlinsenfunktionen angeordnet sind.
Der Begriff „axiale Richtung der Zylinderlinsenfunktionen" bedeutet hier die Richtung einer Achse rechtwinklig zu der Ebene, in welcher die Zylinderlinsenfunktionen die Brechkraft besitzen. Die verschiedenen Bereiche der Grenzfläche, die entlang der gleichen Richtung wie der axialen Richtung der Zylinderlinsenfunktionen verlaufen, sind nicht auf die Bereiche entlang der axialen Richtung beschränkt, es reicht aus, wenn die Bereiche eine Lageänderung in der axialen Richtung besitzen.
Wenn der Oberflächenplasmonensensor gemäß Anspruch 41 mit sowohl der Sensoreinheiten-Bewegungseinrichtung als auch der Auftreffstellen-Verschiebungseinrichtung ausgestattet ist, kreuzen die vorbestimmte Richtung, entlang der die Sensoreinheit bewegt wird, und die axiale Richtung der Zylinderlinsenfunktionen einander vorzugsweise.
In dem Oberflächenplasmonensensor nach Anspruch 41 kann die Auftreffstellen-Verschiebungseinrichtung derart ausgebildet sein, daß der Lichtstrahl von einem optischen System abgelenkt wird, welches mit einem Galvanometerspiegel oder dergleichen ausgestattet ist, um auf diese Weise die Auftreffstelle zu verschieben. Alternativ kann die Auftreffstellen-Verschiebungseinrichtung derart ausgebildet sein, daß die Lichtquelle selbst mechanisch bewegt wird, um so die Auftreffstelle zu verschieben.
Der Oberflächenplasmonensensor gemäß der Erfindung ist mit der Sensoreinheiten-Trägereinrichtung zum Haltern der Sensoreinheit ausgestattet, die mit dem transparenten Substrat und dem auf einer Oberflächenseite des transparenten Substrats befindlichen und mit einer Probe in Berührung gebrachten Metallfilm versehen ist, so daß der Abstand zwischen dem transparenten Substrat und der Kopplereinrichtung auf einem vorbestimmten Wert gehalten werden kann. Außerdem ist der Raum zwischen dem transparenten Substrat und der Kopplereinrichtung mit der Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit gefüllt. Deshalb kann bei dem ersten erfindungsgemäßen Oberflächenplasmonensensor der Austausch der Sensoreinheit einfacher ausgeführt werden, und der Abstand zwischen der Sensoreinheit und der Kopplereinrichtung kann leichter auf dem vorbestimmten Wert gehalten werden als bei dem herkömmlichen Oberflächenplasmonensensor, bei dem eine Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit im Verbindungsbereich zwischen Sensoreinheit und Koppler vorhanden ist, und bei dem die Sensoreinheit und der Koppler in enge Berührung miteinander gebracht sind.
Bei dem Oberflächenplasmonensensor gemäß Anspruch 11 wird die mit dem transparenten Substrat und dem auf einer Oberflächenseite des transparenten Substrats befindlichen und mit einer Probe in Berührung stehenden Metallfilm versehene Sensoreinheit von der Sensoreinheiten-Trägereinrichtung derart gehaltert, daß der Abstand zwischen dem transparenten Substrat und der Kopplereinrichtung auf einem vorbestimmten Wert gehalten werden kann. Außerdem ist der Raum zwischen dem transparenten Substrat und der Kopplereinrichtung mit der Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit gefüllt. Weiterhin ist der zweite erfindungsgemäße Oberflächenplasmonensensor mit der Auftreffstellen-Verschiebungseinrichtung und/oder der Sensoreinheiten-Relativbewegungseinrichtung ausgestattet. Die Auftreffstellen-Verschiebungseinrichtung verschiebt die Auftreffstelle des Lichtstrahls im Lichtstrahleintrittsbereich derart, daß der Strahl sukzessive auf unterschiedliche Stellen der Grenzfläche auftreffen kann, die entlang einer vorbestimmten Richtung verlaufen. Die Sensoreinheiten-Relativbewegungseinrichtung bewegt die Sensoreinheit gegenüber der Kopplereinrichtung entlang einer vorbestimmten Richtung derart, daß der erwähnte Abstand auf dem vorbestimmten Wert gehalten werden kann. Deshalb kann mit dem zweiten Oberflächenplasmonensensor gemäß der Erfindung eine eindimensionale oder eine zweidimensionale Abtastung durchgeführt werden.
Insbesondere läßt sich bei dem Oberflächenplasmonensensor nach Anspruch 11, bei dem der Abstand zwischen dem transparenten Substrat und der Kopplereinrichtung durch die Schicht aus Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit gebildet ist, die Bewegung der Sensoreinheit gegenüber der Kopplereinrichtung in einfacher Weise durchführen.
Außerdem kann der Oberflächenplasmonensensor nach Anspruch 11 sowohl die Auftreffstellen-Verschiebungseinrichtung als auch die Sensoreinheiten-Relativbewegungseinrichtung aufweisen, wobei die vorbestimmte Richtung, entlang der die verschiedenen Stellen der Grenzfläche von der Auftreffstellen-Verschiebungseinrichtung angefahren werden, und die vorbestimmte Richtung, entlang der die Sensoreinheit gegenüber der Kopplereinrichtung von der Sensoreinheiten-Relativbewegungseinrichtung bewegt wird, einander schneiden. In diesen Fällen kann eine zweidimensionale Abtastung großflächig ausgeführt werden.
Bei dem Oberflächenplasmonensensor nach Anspruch 11, bei dem eine zweidimensionale Analyse durchgeführt werden kann, läßt sich zweidimensionale Information über die physikalischen Eigenschaften einer Probe gewinnen, und es läßt sich in wirksamer Weise eine Analyse mehrerer Proben durchführen.
Bei dem Oberflächenplasmonensensor nach Anspruch 41, bei dem das optische Hologrammelement dazu verwendet wird, den Lichtstrahl mit dem Sensorbereich zu koppeln, läßt sich das Auftreten einer Mehrfachreflexions-Interferenz vermeiden, wie sie bei Verwendung eines Prismas in Erscheinung tritt. Außerdem läßt sich die Baugröße des Oberflächenplasmonensensors klein halten, und Justierungen der optischen Achse lassen sich einfacher als bei Verwendung eines Prismas vornehmen.
Der Oberflächenplasmonensensor nach Anspruch 41 kann derart ausgebildet sein, daß das Hologrammelement so ausgebildet ist, daß der einfallende kollimierte Lichtstrahl zu einer vorbestimmten Stelle konvergiert wird, und es kann eine Lichtquellen-Bewegungseinrichtung vorgesehen sein, welche die Lichtquelle innerhalb einer parallel zu der Grenzfläche verlaufenden Ebene und in einer Richtung zu der vorbestimmten Stelle oder in einer Richtung weg von der vorbestimmten Stelle bewegt. In derartigen Fällen lassen sich unterschiedliche Einfallwinkel an der Grenzfläche an einer vorbestimmten Stelle erzielen.
Außerdem wird bei dem Oberflächenplasmonensensor nach Anspruch 41, bei dem das optische Hologrammelement Linsenfunktion und Aberrations-Kompensationsfunktionen besitzt, oder die Funktion einer Zylinderlinse und Aberrations-Kompensationsfunktionen aufweist, der Lichtstrahl zu der vorbestimmten Stelle konvergiert, so daß an der Grenzfläche keine Aberration stattfindet.
Bei dem Oberflächenplasmonensensor nach Anspruch 41, der entweder mit der Sensoreinheiten-Bewegungseinrichtung und/oder der Auftreffstellen-Verschiebungseinrichtung ausgestattet ist, kann in effizienter Weise eine Analyse einer Probe, die sich in einer eindimensionalen oder einer zweidimensionalen Richtung erstreckt, ebenso vorgenommen werden wie Analysen mehrerer Proben, die als Feld in eindimensionaler oder zweidimensionaler Richtung angeordnet sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Oberflächenplasmonensensors,
2 ist eine graphische Darstellung der angenäherten Beziehung zwischen einem Einfallwinkel eines Lichtstrahls an einer Reflexions-Grenzfläche und der Intensität des reflektierten Lichts, welches von einer Photodetektoreinrichtung in einem Oberflächenplasmonensensor detektiert wird,
3 ist eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Oberflächenplasmonensensors,
4 ist eine Seitenansicht einer dritten Ausführungsform des Oberflächenplasmonensensors gemäß der Erfindung,
5 ist eine Seitenansicht einer vierten Ausführungsform des Oberflächenplasmonensensors gemäß der Erfindung,
6 ist eine Seitenansicht einer fünften Ausführungsform des Oberflächenplasmonensensors gemäß der Erfindung,
7 ist eine Seitenansicht einer sechsten Ausführungsform des Oberflächenplasmonensensors gemäß der Erfindung,
8 ist eine Seitenansicht einer siebten Ausführungsform des Oberflächenplasmonensensors gemäß der Erfindung,
9 ist eine Ansicht aus einer Richtung gemäß Pfeil A in 8,
10 ist eine Ansicht aus einer Richtung gemäß Pfeil B in 8,
11A ist eine perspektivische Ansicht eines Mehrkanal-Sensors,
11B ist eine Schnittansicht eines Mehrkanal-Sensors gemäß 11A,
12 ist eine perspektivische Ansicht eines Sensorfilms, der in mehrere Zonen unterteilt ist,
13 ist eine Seitenansicht einer achten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Oberflächenplasmonensensors,
14 ist eine Ansicht aus einer Richtung gemäß Pfeil A in 13,
15 ist eine Ansicht aus einer Richtung gemäß Pfeil B in 13,
16 ist eine Seitenansicht einer neunten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Oberflächenplasmonensensors,
17 ist eine Seitenansicht einer zehnten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Oberflächenplasmonensensors,
18 ist eine Seitenansicht einer elften Ausführungsform des Oberflächenplasmonensensors gemäß der Erfindung,
19 ist eine Ansicht aus einer Richtung gemäß Pfeil A in 18,
20 ist eine Ansicht aus einer Richtung gemäß Pfeil B in 18,
21 ist eine Seitenansicht eines Oberflächenplasmonensensors, der mit mehreren Sensorabschnitten versehen ist,
22 ist eine Seitenansicht eines Oberflächenplasmonensensors mit mehreren Sensorabschnitten unterschiedlicher Bond-Reaktionsfilme,
23 ist eine Seitenansicht einer zwölften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Oberflächenplasmonensensors,
24 ist eine Seitenansicht einer dreizehnten Ausführungsform des Oberflächenplasmonensensors gemäß der Erfindung,
25 ist eine Ansicht aus einer Richtung gemäß Pfeil A in 24,
26 ist eine Seitenansicht einer vierzehnten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Oberflächenplasmonensensors,
27 ist eine anschauliche Darstellung, die zeigt, wie ein Lichtstrahl von einem optischen Hologrammelement konvergiert wird,
28 ist eine Seitenansicht einer fünfzehnten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Oberflächenplasmonensensors,
29 ist eine Ansicht aus einer Richtung gemäß Pfeil A in 28, und
30 ist eine Ansicht aus einer Richtung gemäß Pfeil B in 28.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung wird im folgenden in größerer Einzelheit unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
1 ist eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Oberflächenplasmonensensors.
Wie in 1 grundlegend dargestellt ist, enthält der Oberflächenplasmonensensor eine Sensoreinheit 1 mit einem Metallfilm, der in enge Berührung mit einer zu analysierenden Probe S gebracht ist und aus Gold, Silber oder dergleichen bestehen kann. Der Oberflächenplasmonensensor enthält außerdem eine Sensoreinheiten-Trägereinrichtung 15 zum Haltern der Sensoreinheit 1. Ferner enthält der Oberflächenplasmonensensor eine Kopplereinrichtung 10, die in Bezug auf die Sensoreinheit 1 angeordnet ist. Eine (im folgenden einfach als Anpaßflüssigkeit bezeichnete) Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit 5 befindet sich zwischen der Sensoreinheit 1 und der Kopplereinrichtung 10. Der Oberflächenplasmonensensor enthält weiterhin eine optische Lichtquelleneinrichtung 20 zum Erzeugen eines Lichtstrahls und zum Veranlassen des Lichtstrahls, in die Kopplereinrichtung 10 einzutreten, und eine Photodetektoreinrichtung 30 zum Detektieren des ATR-Winkels θ_sp des von der Kopplereinichtung 10 ausgestrahlten Lichtstrahls.
Die erste Ausführungsform des Oberflächenplasmonensensors gemäß der Erfindung wird im folgenden in größerer Einzelheit beschrieben.
Die Sensoreinheit 1 enthält ein transparentes Substrat (ein Sensorsubstrat) 2, welches aus Glas oder dergleichen bestehen kann, und einen an dem transparenten Substrat 2 ausgebildeten Metallfilm 3 aus Gold, Silber oder dergleichen. Wenn der aus Gold oder dergleichen bestehende Metallfilm 3 auf dem transparenten Substrat 2 ausgebildet wird, wird eine Chromschicht mit einer Dicke von etwa 1 nm zunächst auf das transparente Substrat 2 aufgebracht, und anschließend wird auf der Chromschicht der Metallfilm 3 aufgebracht. Mit dieser Methode läßt sich die Ausbildung des Metallfilms 3 einfach ausführen, wobei ein Abschälen des Metallfilms 3 erschwert wird. Außerdem ist für Analysen mit dem Oberflächenplasmonensensor üblicherweise ein Bond-Reaktionsfilm, an welchem ein Antigen (oder ein Antikörper) fixiert wurde, an dem Metallfilm 3 gebildet, und es wird eine Antigen-Antikörper-Reaktion ausgenutzt, die selektiv auf eine spezifische Substanz anspricht. Auf diese Weise läßt sich aus einer Änderung des Einfallwinkels des Lichtstrahls die Menge eines Antikörpers (oder eines Antigens) bestimmen, welches speziell von dem Bond-Reaktionsfilm adsorbiert wurde.
Die Kopplereinrichtung 10 enthält eine Zelle 12, die aus Glas besteht und eine Ausnehmung 11 auf der der Sensoreinheit 1 zugewandten Seite besitzt, ferner ein Prisma 13 auf der anderen Seite der Zelle 12. Die Sensoreinheiten-Trägereinrichtung (im folgenden als Sensoreinheitenbefestigung bezeichnet) 15 zum Halter der Sensoreinheit 1 befindet sich an einem Teil der Kopplereinrichtung 10. Die Sensoreinheitenbefestigung 15 haltert die Sensoreinheit 1 derart, daß der Abstand zwischen dem transparenten Substrat 2 und der Zelle 12 einem vorbestimmten Wert entspricht. Der Raum zwischen dem transparenten Substrat 2 und der Kopplereinrichtung 10 ist mit der Anpaßflüssigkeit 5 ausgefüllt. Das transparente Substrat 2, die Kopplereinrichtung 10 und die Anpaßflüssigkeit 5 haben Brechungsindizes, die einander gleichen.
Die optische Lichtquelleneinrichtung 20 enthält eine Lichtquelle 21, die einen Lichtstrahl L erzeugt und beispielsweise aus einem Halbleiterlaser oder dergleichen besteht. Die optische Lichtquelleneinrichtung 20 enthält ferner eine Kollimatorlinse 22 und eine Sammellinse 23, die den Lichtstrahl L empfangen und ihn dazu bringen, in das Prisma 13 von dessen einer Oberflächenseite her einzutreten. Der von der Lichtquelle 21 erzeugte Licht strahl wird von einem (nicht gezeigten) Polarisator in P-polarisiertes Licht umgewandelt und dann dazu gebracht, in das Prisma 13 einzutreten. Der gebündelte Lichtstrahl L enthält Komponenten, die in verschiedenen Einfallwinkeln θ auf die Grenzfläche 4 zwischen dem transparenten Substrat 2 und dem Metallfilm 3 auftreffen. Die Einfallwinkel θ sind so eingestellt, daß sie nicht kleiner sind als der kritische Totalreflexionswinkel, damit der Lichtstrahl L an der Grenzfläche 4 totalreflektiert wird.
Alternativ kann die optische Lichtquelleneinrichtung aus einer Lichtquelle zum Erzeugen eines einzelnen Lichtstrahls kleinen Durchmessers und einem Goniometer zum Drehen der Lichtquelle bestehen. Die Lichtquelle kann von dem Goniometer gedreht werden, wobei der Einfallwinkel θ des Lichtstrahls hierdurch auf unterschiedliche variierende Winkel eingestellt wird. Als weitere Alternative kann anstelle der Verwendung des Goniometers der Lichtstrahl von einem Galvanometerspiegel abgelenkt werden, um auf diese Weise variierende Einfallwinkel zu erhalten. (Eine derartige Methode ist zum Beispiel in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung Nr. 9(1997)-292335 vorgeschlagen). Entsprechend einer Änderung des Einfallwinkels ändert sich der Reflexionswinkel des an der Grenzfläche 4 reflektierten Lichtstrahls. Dementsprechend kann als Photodetektoreinrichtung 30 eine Einrichtung verwendet werden, bei der Lichtempfangselemente in der Richtung als Feld angeordnet sind, entlang der sich der Reflexionswinkel ändert. Alternativ kann man eine Photodiode, eine zweiteilige Photodiode gemäß dem US-Patent 5 875 032, ein Photodioden-Array oder dergleichen verwenden.
Im folgenden soll beschrieben werden, wie eine Probenanalyse mit dem den oben beschriebenen Aufbau aufweisenden Oberflächenplasmonensensor durchgeführt wird. Die zu analysierende Probe S wird derart angeordnet, daß sie in Berührung mit dem Metallfilm 3 stehen kann. Der von der optischen Lichtquelleneinrichtung 20 erzeugte Lichtstrahl L, der in P-polarisiertes Licht umgewandelt ist, tritt in das Prisma 13 über dessen Oberfläche ein. Der Lichtstrahl L tritt durch das Prisma 13 hindurch und trifft auf die Grenzfläche 4. Wie oben erläutert, trifft der gebündelte und eingestrahlte Lichtstrahl L unter verschiedenen Einfallwinkeln θ auf die Grenzfläche 4 zwischen dem Metallfilm 3 und dem trans parenten Substrat 2 auf. Der Lichtstrahl L wird an der Grenzfläche 4 totalreflektiert, läuft erneut durch das Prisma 13 und wird dann an der anderen Oberfläche des Prismas 13 abgestrahlt. Die Intensität des Lichtstrahls L, der auf diese Weise aus dem Prisma 13 ausgestrahlt wurde, wird von der Photodetektoreinrichtung 30 detektiert.
Ein von jedem der Lichtempfangselemente der Photodetektoreinrichtung 3 detektiertes Photosignal repräsentiert die Intensität I des totalreflektierten Lichtstrahls L, bezogen auf die jeweiligen Einfallwinkel θ an der Grenzfläche 4. 2 zeigt annäherungsweise die Beziehung zwischen der Intensität I des reflektierten Lichtstrahls und den Einfallwinkeln θ.
Das unter einem spezifischen Einfallwinkel (nämlich dem ATR-Winkel) θ_sp an der Grenzfläche 4 auftreffende Licht regt Oberflächenplasmonen an der Grenzfläche zwischen dem Metallfilm 3 und der Probe S an. Was das unter dem spezifischen Einfallwinkel θ_sp an der Grenzfläche 4 einfallende Licht angeht, so wird die Intensität I des dazugehörigen reflektierten Lichts deutlich niedrig. Aus dem von jedem der Lichtempfangselemente der Photodetektoreinrichtung 30 detektierten Photosignal läßt sich der ATR-Winkel θ_sp bestimmen. Wie oben im einzelnen beschrieben wurde, läßt sich die in der Probe S enthaltene spezifische Substanz abhängig vom Wert des ATR-Winkels θ_sp quantitativ analysieren.
Eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Oberflächenplasmonensensors wird im folgenden anhand der 3 erläutert. Bei der zweiten Ausführungsform (und bei der im folgenden beschriebenen dritten bis sechsten Ausführungsform) werden für gleiche Bauteile und gleiche Betriebsbereiche wie bei der ersten Ausführungsform detaillierte Erläuterungen nicht wiederholt.
Bei der zweiten Ausführungsform sind Rohrleitungen 41 und 42, die es der Anpaßflüssigkeit 5 ermöglichen, in den und aus dem Raum zwischen der Sensoreinheit 1 und der Kopplereinrichtung 10 zu fließen, derart angeordnet, daß ein Ende jeder Rohrleitung durch die Wand der Zelle 12 geführt ist. Die Rohrleitung 41 besitzt am andern Ende eine Öffnung, die sich an einer Stelle befindet, die höher liegt als der Boden des transparenten Substrats 2 in bezog auf die vertikale Richtung. Hierdurch bildet die Rohrleitung 41 ein leeres Element, welches die Möglichkeit bietet, die Anpaßflüssigkeit 5 an einer Stelle einzuleiten, die höher liegt als die Bodenfläche des transparenten Substrats 2. Das andere Ende der Rohrleitung 42 ist in einen Anpaßflüssigkeitstank 43 eingesetzt, der die Anpaßflüssigkeit 5 aufnimmt. An einer Zwischenstelle zwischen den beiden Enden der Rohrleitung 42 befindet sich eine Pumpe 44. Die Rohrleitung 42, der Anpaßflüssigkeitstank 43 und die Pumpe 44 bilden gemeinsam eine Anpaßflüssigkeits-Zuführeinrichtung.
Bei der zweiten Ausführungsform des Oberflächenplasmonensensors gemäß der Erfindung wird die Sensoreinheit 1 von der Sensoreinheitenbefestigung 15 gehaltert, und anschließend wird die Pumpe 44 betrieben, um die Anpaßflüssigkeit 5 aus dem Anpaßflüssigkeitstank 43 durch die Leitung 42 in den Raum zwischen dem transparenten Substrat 2 und der Kopplereinrichtung 10 zu befördern. Die Anpaßflüssigkeit 5 wird solange zugeführt, bis ihr Pegel nach Eintritt der Flüssigkeit in das Rohr 41 höher wird als die Bodenfläche des transparenten Substrats 2. Auf diese Weise kann der Raum zwischen dem transparenten Substrat 2 und der Kopplereinrichtung 10 vollständig mit der Anpaßflüssigkeit 5 ausgefüllt werden.
Anhand der 4 soll im folgenden eine dritte Ausführungsform des Oberflächenplasmonensensors gemäß der Erfindung erläutert werden. Bei der dritten Ausführungsform enthält die Sensoreinheit 1 das transparente Substrat 2 und den darauf gebildeten Metallfilm 3, außerdem eine wasserdichte Wand 6, die den Metallfilm 3 umgibt.
Außerdem ist eine Sensoreinheitenbefestigung 15' der Kopplereinrichtung 10 zugeordnet. Die Sensoreinheitenbefestigung 15' haltert einen Teil der wasserdichten Wand 6 und stützt damit die Sensoreinheit 1 derart ab, daß das transparente Substrat 2 der Sensoreinheit 1 in die Anpaßflüssigkeit 5 eingetaucht ist. Die Sensoreinheitenbefestigung 15' legt somit die Position der Sensoreinheit 1 gegenüber derjenigen der Kopplereinrichtung 10 fest.
Bei der ersten, der zweiten und der dritten Ausführungsform, die oben beschrieben wurden, ist die Kopplereinrichtung 10 mit dem Prisma 13 ausgestattet. Allerdings braucht in dem erfindungsgemäßen Oberflächenplasmonensensor die Kopplereinrichtung nicht notwendiger Weise mit dem Prisma ausgestattet zu sein. Beispielsweise können gemäß einer in 5 gezeigten vierten Ausführungsform Beugungsgitter 50 und 51 an der Zelle 12 ausgebildet sein, und der Lichtstrahl kann aus dem Beugungsgitter 50 eingegeben und aus dem Beugungsgitter 51 abgestrahlt werden. In derartigen Fällen wird der Lichtstrahl L von dem Beugungsgitter 50 für das Eintreten des Lichtstrahls gebeugt und dazu gebracht, auf die Grenzfläche 4 unter einem Einfallwinkel θ aufzutreffen. Der Lichtstrahl L wird dann an der Grenzfläche 4 totalreflektiert, wird von dem Beugungsgitter 51 zum Abstrahlen des Lichtstrahls gebeugt und aus der Kopplereinrichtung 10 ausgestrahlt. Die Intensität des Lichtstrahls L, der auf diese Weise von der Kopplereinrichtung 10 abgestrahlt wird, wird von der Photodetektoreinrichtung 30 erfaßt.
Alternativ kann wie bei der in 6 gezeigten fünften Ausführungsform ein konvex nach unten ausgebildeter Abschnitt 53 als Bodenfläche der Zelle 12 ausgebildet sein, wobei die Anpaßflüssigkeit 5 sich in der Zone innerhalb des konvexen Abschnitts 53 befindet. Dessen Seitenflächen können durch Glasfenster 54 und 55 gebildet sein, so daß der Lichtstrahl L über das Glasfenster 54 eingegeben und aus dem Glasfenster 55 ausgestrahlt wird. Die Glasfenster 54 und 55 bestehen aus einem Material, dessen Brechungsindex etwa demjenigen des transparenten Substrats 2 und der Anpaßflüssigkeit 5 gleicht. In derartigen Fällen brauchen die Bereiche der Zelle 12 mit Ausnahme der Glasfenster 54 und 55 nicht lichtdurchlässig zu sein.
Im folgenden wird anhand der 7 eine sechste Ausführungsform des Oberflächenplasmonensensors gemäß der Erfindung beschrieben. Bei dieser Ausführungsform enthält die Sensoreinheit 1 einen Sensorabschnitt 104 und einen Sensorabschnitthalter 105, der den Sensorabschnitt 104 haltert. Der Sensorabschnitt 104 besteht aus einem transparenten Hauptsubstrat 102 und einem darauf befindlichen Metallfilm 103. Die Bodenfläche des Sensorabschnitthalters 105 besteht aus einem transparenten Haltesubstrat 106 mit einem Brechungsindex, der demjenigen des transparenten Substrats 102 des Sensorabschnitts 104 gleicht. Eine Analyse, die vorgenommen wurde, während das transparente Hauptsubstrat 102 des Sensorabschnitts 104 in enger Berührung mit dem transparenten Haltesubstrat 106 über das Anpaßflüssigkeit stand, wurde durchgeführt. Wie bei den oben beschriebenen Ausführungsformen ist auf dem Metallfilm 103 dabei ein Bond-Reaktionsfilm gebildet. Wenn ein Sensortausch erfolgt, kann die Sensoreinheit 1 durch eine neue Sensoreinheit ersetzt werden. Alternativ kann auch bloß der Sensorabschnitt 104 durch einen neuen Abschnitt ausgetauscht werden. Da der Sensorabschnitt 104 einen einfachen Aufbau besitzt, sind seine Kosten gering, und man kann ihn leicht austauschen. Außerdem kann als Sensorabschnitt 104 einer von mehreren Sensorabschnitten verwendet werden, die sich durch verschiedene Größe oder unterschiedliche Form voneinander unterscheiden.
Bei der sechsten Ausführungsform nach 7 ist wie bei der fünften Ausführungsform nach 6 die Kopplereinrichtung 10 dadurch gebildet, daß ein konvex nach unten ragendes Teil 113 an einem Teil einer Zelle 111 ausgebildet ist, wobei die Seitenfläche des konvexen Teils 113 aus Glasfenstern 114 und 115 bestehen können. Der Lichtstrahl L wird über das Glasfenster 114 eingestrahlt und wird über das Glasfenster 115 ausgestrahlt. Wenn eine Analyse durchgeführt wird, wird Anpaßflüssigkeit 5 in die Ausnehmung eingefüllt, welche von der Zelle 112 und dem noch zu beschreibenden Gehäuse 141 eines optischen Systems umgeben ist, so daß die Bodenfläche des Sensorabschnitthalters 105 in die Anpaßflüssigkeit 5 eintauchen kann.
Die optische Lichtquelleneinrichtung 20, die den Lichtstrahl L erzeugt und ihn dazu bringt, in die Kopplereinrichtung 10 einzutreten, enthält eine Lichtquelleneinnchtung 123 mit einer Lichtquelle 121, beispielsweise in Form eines Halbleiterlasers, und eine Kollimatorlinse 122. Die optische Lichtquelleneinrichtung 20 enthält ferner einen Spiegel 64 zum Reflektieren des Lichtstrahls L, der aus der Lichtquelleneinrichtung 123 abgestrahlt wurde, und einer Sammellinse 65. Der aus der Lichtquelleneinrichtung 123 abgestrahlte Lichtstrahl L wird von einem (nicht gezeigten) Polarisator in P-polarisiertes Licht umgewandelt und dann in die Kopplereinrichtung 10 geleitet. Der gesammelte Lichtstrahl L enthält Komponenten, die unter verschiedenen Einfallwinkeln θ auf die Grenzfläche 107 zwischen dem transparenten Hauptsubstrat 102 und dem Metallfilm 103 auftreffen. Die Einfallwinkel θ sind so eingestellt, daß sie nicht kleiner sind als der kritische Totalreflexionswinkel, so daß der Lichtstrahl L an der Grenzfläche 107 totalreflektiert werden kann.
Die Photodetektoreinrichtung 30 detektiert den Lichtstrahl, der an der Grenzfläche 107 reflektiert wurde und dann durch das Glasfenster 115 der Kopplereinrichtung 10 ausgestrahlt wurde. Eine Sammellinse 66 auf der Seite der Photodetektoreinrichtung 30 ermöglicht, daß der Lichtstrahl zufällig von der Photodetektoreinrichtung 30 erfaßt werden kann.
Bei der sechsten Ausführungsform nach 7 befinden sich die Kopplereinrichtung 10, die optische Lichtquelleneinrichtung 20 und die Photodetektoreinrichtung 30 an einer Basis 140. An der Basis 140 ist das Optikgehäuse 141 derart ausgebildet, daß es die optische Lichtquelleneinrichtung 20 und dergleichen umgeben kann. Die Koppiereinrichtung 10 ist an dem Optikgehäuse 141 befestigt. Außerdem sind die Sammellinse 65 auf der Seite der optischen Lichtquelleneinrichtung 20 und die Sammellinse 66 auf der Seite der Photodetektoreinrichtung 30 an der Unterseite der Kopplereinrichtung 10 aufgehängt und werden von dieser gehalten.
An der Basis 140 ist ein Gerätegehäuse 142 ausgebildet, wobei es das Optikgehäuse 141 umfaßt. Eine Sensoreinheitenbefestigung 143 zum Haltern der Sensoreinheit 1 ist an der Oberseite des Gerätegehäuses 142 befestigt. Die Sensoreinheit 1 ist an der Sensoreinheitenbefestigung 143 festgemacht, die ihrerseits am Gerätegehäuse 142 fixiert ist. Die Sensoreinheit 1 ist derart gehaltert, daß der Abstand zwischen der Sensoreinheit 1 und der Kopplereinrichtung 10 auf einem vorbestimmten Wert gehalten werden kann.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen wird der ATR-Winkel θ_sp gewonnen aus der Intensität des reflektierten Lichts in Bezug auf die verschiedenen Einfallwinkel. Alternativ kann der ATR-Winkel θ_sp dadurch gewonnen werden, daß man die Kennlinie nutzt, die besagt, daß die Intensität des reflektierten Lichts in Bezug auf einen gewissen Einfallwinkel sich nach Maßgabe des Werts des ATR-Winkels θ_sp ändert. Beispielsweise kann der Lichtstrahl-Einfallwinkel auf einen vorbestimmten Winkel kleiner als der ATR-Winkel θ_sp eingestellt werden, und den ATR-Winkel θ_sp kann man aufgrund der Intensität des dann gewonnenen reflektierten Lichts gewinnen.
Im folgenden werden eine siebte bis dreizehnte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Oberflächenplasmonensensors beschrieben.
8 ist eine Seitenansicht einer siebten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Oberflächenplasmonensensors. 9 ist eine Ansicht aus der Pfeilrichtung A in 8. 10 ist eine Ansicht aus der Pfeilrichtung B in 8. 10 ist eine Teil-Schnittansicht. Wie in 8 grundsätzlich dargestellt ist, enthält der Oberflächenplasmonensensor die Sensoreinheit 1 mit dem Metallfilm, die in Berührung mit der zu analysierenden Probe S gebracht wird und beispielsweise aus Gold oder Silber besteht. Außerdem enthält der Oberflächenplasmonensensor den Sensoreinheitenhalter 15 zum Haltern der Sensoreinheit 1. Weiterhin enthält der Oberflächenplasmonensensor die Kopplereinrichtung 10, die sich in einer bestimmten Lagebeziehung zu der Sensoreinheit 1 befindet. Die Anpaßflüssigkeit 5 befindet sich zwischen der Sensoreinheit 1 und der Kopplereinrichtung 10. Der Oberflächenplasmonensensor enthält weiterhin eine optische Lichtquelleneinrichtung 220 zum Erzeugen eines Lichtstrahls und zum Veranlassen des Lichtstrahls, in die Kopplereinrichtung 10 einzutreten, ferner eine Photodetektoreinrichtung 30 zum Detektieren des ATR-Winkels θ_sp aus dem Lichtstrahl, welcher aus der Kopplereinrichtung 10 ausgestrahlt wurde.
Im folgenden wird die siebte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Oberflächenplasmonensensors im einzelnen beschrieben.
Die Sensoreinheit 1 enthält das transparente Substrat (das Sensorsubstrat) 2, welches einheitliche Dicke aufweist und aus Glas oder dergleichen besteht, ferner den Metallfilm 3 auf dem transparenten Substrat 2, bestehend aus beispielsweise Gold oder Silber. Die wasserdichte Wand 6 ist derart ausgebildet, daß sie den Metallfilm 3 umgibt. Bei dieser Ausführungsform wird die Kombination aus dem Metallfilm 3 und dem Bond- Reaktionsfilm auf dem Metallfilm 3 als Sensorfilm bezeichnet. Der mit der Sensoreinheit 1 des oben beschriebenen Aufbaus ausgestattete Oberflächenplasmonensensor hat die im folgenden erläuterten Vorteile gegenüber dem herkömmlichen Oberflächenplasmonensensor, bei dem eine Anpaßflüssigkeit auf der Verbindungsstelle zwischen einem Substrat einer Sensoreinheit und einer Kopplereinrichtung vorhanden ist, und bei dem Substrat und Kopplereinrichtung dadurch in direkten engen Kontakt miteinander gebracht sind. Speziell beim Austausch des Sensors oder dergleichen läßt sich der Abstand zwischen der Sensoreinheit 1 und der Kopplereinrichtung 10 leicht auf einem vorbestimmten Wert halten, und es brauchen keine Feinjustierungen der Dicke der Anpaßflüssigkeitsschicht oder dergleichen vorgenommen zu werden. Daher läßt sich ein Austausch des Sensors in einfacher Weise durchführen. Außerdem kann der Sensoraustausch automatisch vorgenommen werden.
Die Kopplereinrichtung 10 enthält die Zelle 12, die aus Glas besteht und die Ausnehmung 11 auf der der Sensoreinheit 1 zugewandten Seite besitzt, ferner das Prisma 13 in Dreieckform, welches auf der anderen Seite der Zelle 12 gebildet ist. Die Sensoreinheiten-Halteeinrichtung (die Sensoreinheitenbefestigung) 15 zum Haltern der Sensoreinheit 1 befindet sich in einem Bereich der Kopplereinrichtung 10. Die Sensoreinheitenbefestigung 15 haltert die Sensoreinheit 1 derart, daß der Abstand zwischen dem transparenten Substrat 2 und der Zelle 12 einem vorbestimmten Wert entsprechen kann. Insbesondere haltert bei dieser Ausführungsform die Sensoreinheitenbefestigung 15 einen Teil der wasserdichten Wand 16 und stützt damit die Sensoreinheit 1 derart ab, daß das transparente Substrat 2 der Sensoreinheit 1 in die Anpaßflüssigkeit 5 eintauchen kann. Damit legt die Sensoreinheitenbefestigung 15 die Position der Sensoreinheit 1 gegenüber derjenigen der Kopplereinrichtung 10 fest. Der Raum zwischen dem transparenten Substrat 2 und der Kopplereinrichtung 10 ist mit der Anpaßflüssigkeit 5 gefüllt. Das transparente Substrat 2, die Kopplereinrichtung 10 und die Anpaßflüssigkeit 5 besitzen einen annähernd gleich großen Brechungsindex.
Wie in 9 dargestellt ist, besitzt die Kopplereinrichtung 10 einen Aufbau, der sich in einer Richtung erstreckt, und die Sensoreinheitenbefestigung 15 ist entlang der Ausneh mung 11 ausgebildet. Die Sensoreinheitenbefestigung 15 ist mit einer (nicht gezeigten) Führungsschiene ausgestattet, entlang der die Sensoreinheit 1 bewegt werden kann. An der Sensoreinheit 1 ist eine Transportwelle 76 befestigt. Die Transportwelle 76 ist zwischen Rollen 77, 77 eingeschlossen und wird durch deren Drehung bewegt. Abhängig von der Drehung der Rollen 77, 77 wird die Transportwelle 76 bewegt, und mit ihr die Sensoreinheit 1 in Richtung des Doppelpfeils X. Speziell wird bei der siebten Ausführungsform die Sensoreinheiten-Relativbewegungseinrichtung gebildet durch die Führungsschiene der Sensoreinheitenbefestigung 15 und die Transportwelle 76 sowie die Rollen 77, 77.
Die optische Lichtquelleneinrichtung 220 enthält eine Lichtquelle 221, die einen Lichtstrahl L erzeugt und zum Beispiel aus einem Halbleiterlaser oder dergleichen bestehen kann. Die optische Lichtquelleneinrichtung 220 kann außerdem eine Zylinderlinse 222 und einen telezentrischen Abtaster 223 aufweisen, bei dem es sich um eine Lichtablenkeinrichtung unter Einsatz einer telezentrischen Optik handelt. Der telezentrische Abtaster 223 enthält einen Galvanometerspiegel 224 an einer Stelle, die der Brennweite der Zylinderlinse 222 entspricht, außerdem zwei Zylinderlinsen 225 und 226. Der von der Lichtquelle 221 erzeugte Lichtstrahl wird von der Zylinderlinse 222 auf den Galvanometerspiegel 224 fokussiert. Der dann von dem Galvanometerspiegel 224 reflektierte Lichtstrahl trifft auf die Zylinderlinse 225 des telezentrischen Abtasters 223 auf. Der Lichtstrahl wird von der Zylinderlinse 225 kollimiert und von der Zylinderlinse 226 in das Prisma 13 eingeleitet. Dabei wird der Lichtstrahl L von der Zylinderlinse 226 in der Ebene gesammelt, die rechtwinklig zur Hauptachse des Prismas 13 und auf der Grenzfläche 4 zwischen dem Metallfilm 3 und dem transparenten Substrat 2 verläuft. Abhängig von der Schwingbewegung des Galvanometerspiegels 224 wird die Auftreffstelle des Lichtstrahls L auf dem Prisma 13 parallel entlang der Richtung des Doppelpfeils Y verschoben. Der von der Lichtquelle 221 erzeugte Lichtstrahl wird in das Prisma 13 als P-polarisiertes Licht eingegeben. Der konvergierte Lichtstrahl L enthält Komponenten, die von unter verschiedenen Einfallwinkeln θ auf die Grenzfläche 4 zwischen dem Substrat 2 und dem Metallfilm 3 auftreffen. Die Einfallwinkel θ sind so eingestellt, daß sie nicht kleiner sind als der kritische Totalreflexionswinkel, so daß der Lichtstrahl L an der Grenzfläche 4 totalreflektiert werden kann.
Bei der siebten Ausführungsform nach 8 gemäß obiger Beschreibung wird der telezentrische Abtaster 223 als Lichtablenkeinrichtung verwendet, um die Auftreffstelle des Lichtstrahls L zu verschieben. Alternativ kann als Auftreffstellen- oder Einfallpositions-Verschiebungseinrichtung beispielsweise eine Lichtquellenbewegungseinrichtung verwendet werden. Insbesondere kann die Lichtquelle auf einer Bühne angeordnet werden, die sich mechanisch in Richtung des Doppelpfeils Y bewegen läßt. Außerdem kann die Lichtquellenbewegungseinrichtung die Bühne bewegen und damit die Lichtquelle selbst, demzufolge die Einfallposition oder Auftreffstelle des Lichtstrahls sich parallel entlang der Richtung des Doppelpfeils Y verschieben läßt.
Abhängig von der Änderung des Einfallwinkels des Lichtstrahls L an der Grenzfläche 4 ändert sich der Reflexionswinkel des an der Grenzfläche 4 reflektierten Lichtstrahls L. Als Photodetektoreinrichtung 30 kann also eine Einrichtung verwendet werden, die Lichtempfangselemente aufweist, welche in der Richtung angeordnet sind, entlang der sich der Reflexionswinkel ändert, beispielsweise ein CCD-Zeilensensor. Alternativ kann eine Photodiode, eine zweiteilige Photodiode gemäß dem US-Patent 5 875 032, ein Photodiodenarray oder dergleichen verwendet werden. Allerdings ist die Stelle der Photodetektoreinrichtung 30 derart reguliert, daß sie den totalreflektierten Lichtstrahl zuverlässig detektieren kann, welcher aus der Strahlposition kommt, die sich abhängig von der Änderung der Einfallsteile des Lichtstrahls L auf dem Prisma 13 ändert.
Im folgenden soll beschrieben werden, wie die Probenanalyse mit der siebten Ausführungsform des den oben beschriebenen Aufbau aufweisenden Oberflächenplasmonensensors durchgeführt wird. Zunächst wird gemäß 11A eine Mehrzahl von Probenzellen 8, 8, ... auf dem Sensorfilm angeordnet, und es werden unterschiedliche Proben Sn (S₁, S₂, S₃, ...) in die Probenzellen 8, 8, ... eingegeben. Die derart plazierten Proben Sn können n Berührung mit dem Sensorfilm treten. 11B ist eine Schnittansicht der 11A.
Anschließend wird für jede Probe eine Analyse durchgeführt. Bei der Probenanalyse wird für jede Probe der P-polarisiertes Licht darstellende Lichtstrahl L in das Prisma 13 über dessen eine Fläche eingegeben. Der Lichtstrahl L durchläuft das Prisma 13 und trifft auf die Grenzfläche 4 auf. Wie oben beschrieben wurde, trifft der Lichtstrahl L, der zuvor gesammelt und abgestrahlt wurde, unter verschiedenen Einfallwinkeln θ auf die Grenzfläche zwischen dem Metallfilm 3 und dem transparenten Substrat 2 auf. Dann wird der Lichtstrahl L an der Grenzfläche 4 totalreflektiert, läuft erneut durch das Prisma 13 und wird dann an der anderen Oberfläche des Prismas 13 nach außen abgestrahlt. Die Intensität des Lichtstrahls L, der von dem Prisma 13 ausgestrahlt wird, wird von der Photodetektoreinrichtung 30 erfaßt. Das dabei von der Einrichtung 30 erzeugte Photodetektorsignal repräsentiert die Intensität I des totalreflektierten Lichtstrahls L abhängig von den Einfallwinkeln θ an der Grenzfläche 4. 2 zeigt angenähert die Beziehung zwischen der Intensität I des reflektierten Lichtstrahls und den Einfallwinkeln θ.
Das unter einem spezifischen Einfallwinkel (nämlich dem ATR-Winkel) θ_sp auf die Grenzfläche 4 auftreffende Licht regt Oberflächenplasmonen an der Grenzfläche zwischen dem Metallfilm 3 und der Probe Sn an. Was das unter einem spezifischen Einfallwinkel θ_sp an der Grenzfläche 4 auftreffende Licht angeht, so wird die Intensität I des reflektierten Lichts bei diesem Winkel deutlich gering. Aus dem von jedem der Lichtempfangselemente der Photodetektoreinrichtung 30 detektieren Photodetektorsignal läßt sich der ATR-Winkel θ_sp ermitteln. Wie oben im einzelnen erläutert wurde, läßt sich eine in der Probe Sn enthaltene spezifische Substanz quantitativ abhängig vom Wert des ATR-Winkels θ_sp analysieren.
Bei der siebten Ausführungsform erfolgt die Analyse für jede der mehreren Proben Sn. Zu diesem Zweck wird die Sensoreinheit 1 intermittierend entlang der Führungsschiene der Sensoreinheitenbefestigung 15 in Richtung des Doppelpfeils X transportiert. Außerdem wird der Lichtstrahl L von dem telezentrischen Abtaster 223 parallel verschoben und dazu gebracht, daß er sukzessive auf Teile der Grenzfläche 4 auftrifft, die den Proben Sn entsprechen. Auf diese Weise erfolgt die zweidimensionale Abtastung derart, daß der Lichtstrahl L unter den gleichen Bedingungen auf die Proben Sn gestrahlt werden kann. Auf diese Weise läßt sich rasch und effizient die Analyse der mehreren Proben Sn durchführen.
Wie oben beschrieben wurde, kann bei der siebten Ausführungsform die zweidimensionale Abtastung mit dem Lichtstrahl L durchgeführt werden. Deshalb ist die siebte Ausführungsform auch dann anwendbar, wenn beispielsweise eine Probe wie ein Gel-Flachstück, welches in der Elektrophorese eingesetzt wurde, auf dem Metallfilm 3 plaziert und in zweidimensionalen Richtungen abgetastet wird, und die zweidimensionale Information über die physikalischen Eigenschaften einer Substanz gewonnen wird, die zu analysieren und in der Probe verteilt ist.
Außerdem können gemäß 12 mehrere Zonen 3a, 3a, ... auf dem Metallfilm 3 eingerichtet sein, und es können für die Zonen 3a, 3a, ... Sensorfilme mit unterschiedlichen Bond-Reaktionsfilmen vorgesehen werden. Unter dieser Bedingung kann die zweidimensionale Abtastung mit dem Lichtstrahl vorgenommen werden. Hierdurch können für die unterschiedlichen Zonen Analysen verschiedener Immunreaktion und dergleichen durchgeführt werden, die in den einzelnen Zonen ablaufen.
Eine achte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Oberflächenplasmonensensors wird im folgenden anhand der 13, 14 und 15 erläutert. 13 ist eine Seitenansicht der achten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Oberflächenplasmonensensors. 14 ist eine Ansicht aus der Pfeilrichtung A in 13. 15 ist eine Ansicht entsprechend der Pfeilrichtung B in 13. Für die achte Ausführungsform (ebenso wie für die neunte bis dreizehnte, unten zu beschreibende Ausführungsform) wird für gleiche Bestandteile und gleiche Betriebsbereiche wie bei der obigen siebten Ausführungsform die Beschreibung nicht noch einmal wiederholt.
Bei der achten Ausführungsform sind Leitungen 41 und 42, über die die Anpaßflüssigkeit 5 in den und aus dem Raum zwischen der Sensoreinheit 1 und der Kopplereinrichtung 10 strömen kann, derart gelegen, daß ein Ende jeder Leitung die Wand der Zelle 12 durchsetzt. Die Leitung 41 besitzt am anderen Ende eine Öffnung, die sich an einer Stelle be findet, die höher liegt als die Bodenfläche des transparenten Substrats 2 in Bezug auf die vertikale Richtung. Hierdurch bildet die Leitung 41 ein leeres Element, welches es der Anpaßflüssigkeit 5 ermöglicht, zu einer Stelle aufgefüllt zu werden, die höher liegt als die Bodenfläche des transparenten Substrats 2. Das andere Ende der Leitung 42 ist in den Anpaßflüssigkeitstank 43 eingeführt, der die Anpaßflüssigkeit 5 aufnimmt. Die Pumpe 44 befindet sich an einer Zwischenstelle zwischen den beiden Enden der Leitung 42. Die Leitung 42, der Anpaßflüssigkeitstank 43 und die Pumpe 44 bilden zusammen eine Anpaßflüssigkeits-Zuführeinrichtung. Die Sensoreinheit 1 ist nicht in die Anpaßflüssigkeit 5 wie bei der obigen siebten Ausführungsform eingetaucht und befindet sich an einer solchen Stelle, daß der Boden des transparenten Substrats 2 in Berührung mit der Oberfläche der Anpaßflüssigkeit 5 gelangen kann.
Bei der achten Ausführungsform sind Transportwellen 76', 76' zweiseitig an der Sensoreinheit 1 angebracht. Die Transportwellen 76', 76' besitzen große Breite, damit sie die Ausnehmung 11 der Zelle 12 verschließen, die mit der Anpaßflüssigkeit 5 gefüllt ist. Nachdem die Sensoreinheit 1 von der Sensoreinheitenbefestigung 15 aufgenommen ist, wird die Pumpe 44 in Betrieb gesetzt, um die Anpaßflüssigkeit 5 aus dem Anpaßflüssigkeitstank 43 durch die Leitung 42 in den Raum zwischen dem transparenten Substrat 2 und der Koppeleinrichtung 10 zu leiten. Die Anpaßflüssigkeit 5 wird solange zugeführt, bis ihr Füllstand höher liegt als die Bodenfläche des transparenten Substrats 2. Auf diese Weise wird der Raum zwischen dem transparenten Substrat 2 und der Kopplereinrichtung 10 vollständig mit der Anpaßflüssigkeit 5 gefüllt.
Eine der Transportwellen 76', 76' wird zwischen den Rollen 77a', 77a' aufgenommen, die andere Transportwelle 76' wird zwischen Rollen 77b', 77b' aufgenommen. Abhängig von der Drehung der Rollen 77a', 77a' und der Rollen 77b', 77b' werden die Transportwellen 76', 76' bewegt, und damit wird die Sensoreinheit 1 von den Transportwellen 76', 76' bewegt.
Bei der siebten und der achten oben beschriebenen Ausführungsform befindet sich die Kopplereinrichtung 10 an dem Prisma 13. Allerdings braucht bei dem erfindungsgemäßen Oberflächenplasmonensensor die Kopplereinrichtung nicht unbedingt mit dem Prisma ausgestattet zu sein.
Beispielsweise können gemäß dem in 16 gezeigten neunten Ausführungsbeispiel die Beugungsgitter 50 und 51 an der Zelle 12 vorhanden sein, so daß der Lichtstrahl L über das Beugungsgitter 50 eintritt und über das Beugungsgitter 51 ausgestrahlt wird. In solchen Fällen wird der Lichtstrahl L von dem Beugungsgitter 50 zum Eintritt des Lichtstrahls gebeugt und dazu gebracht, auf die Grenzfläche 4 unter einem Einfallwinkel θ aufzutreffen. Der Lichtstrahl L wird dann an der Grenzfläche 4 totalreflektiert, von dem Beugungsgitter 51 zum Ausstrahlen des Lichtstrahls gebeugt und dann aus der Koppeleinrichtung 10 ausgestrahlt. Die Intensität des auf diese Weise aus der Koppeleinrichtung 10 ausgestrahlten Lichtstrahls L wird von der Photodetektoreinrichtung 30 detektiert.
Alternativ kann wie bei einer zehnten Ausführungsform nach 17 der konvex nach unten ragende Teil 53 in der Bodenfläche der Zelle 12 ausgebildet sein, und die Anpaßflüssigkeit 5 kann in den Bereich im Inneren des konvexen Teils 53 eingefüllt werden. Die Seitenflächen des konvexen Teils 53 können gebildet werden durch die Glasfenster 54 und 55, so daß der Lichtstrahl L über das Glasfenster 54 eintritt und durch das Glasfenster 55 ausgestrahlt wird. Die Glasfenster 54 und 55 bestehen aus einem Material, dessen Brechungsindex etwa so groß ist wie derjenige des transparenten Substrats 2 und der Anpaßflüssigkeit 5. In solchen Fällen brauchen die Teile der Zelle 12 außer den Glasfenstern 54 und 55 nicht lichtdurchlässig zu sein.
Eine elfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Oberflächenplasmonensensors wird im folgenden anhand der 18 und 19 sowie 20 erläutert. 18 ist eine Seitenansicht der elften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Oberflächenplasmonensensors. 19 ist eine Ansicht aus der Blickrichtung entsprechend dem Pfeil A in 18. 20 ist eine Ansicht aus einer Richtung des Pfeils B in 18. 19 und 20 sind Teilschnittansichten, in denen mehrere Teile des Oberflächenplasmonensensors weggelassen sind.
Bei der elften Ausführungsform enthält eine Sensoreinheit 101 den Sensorabschnitt 104 und den Sensorabschnittshalter 105 zum Halten des Sensorabschnitts 104. Der Sensorabschnitt 104 besteht aus dem transparenten Hauptsubstrat 102 und dem darin angeordneten Metallfilm 103. Die Bodenfläche des Sensorabschnitthalters 105 besteht aus dem tragenden transparenten Substrat 106, dessen Brechungsindex etwa demjenigen des transparenten Hauptsubstrats 102 des Sensorabschnitts 104 entspricht. Eine Analyse wird vorgenommen, während das transparente Hauptsubstrat 102 des Sensorabschnitts 104 in enger Berührung mit dem transparenten tragenden Substrat 106 über die Anpaßflüssigkeit steht. Wie bei der siebten bis zehnten, oben beschriebenen Ausführungsform ist auf dem Metallfilm 103 ein Bond-Reaktionsfilm ausgebildet. Bei einem Sensortausch läßt sich die Sensoreinheit 101 durch eine neue Sensoreinheit austauschen. Alternativ kann auch bloß der Sensorabschnitt 104 durch einen neuen Abschnitt ausgetauscht werden. Da der Sensorabschnitt 104 einen einfachen Aufbau besitzt, ist er billig und läßt sich einfach austauschen. Als Sensorabschnitt 104 kann auch einer von mehreren Sensorabschnitten verwendet werden, die sich voneinander durch unterschiedliche Größen oder unterschiedliche Formen unterscheiden.
Wie in 21 dargestellt ist, können von dem Sensorabschnitthalter 105 mehrere Sensorabschnitte 104', 104', ... gleicher oder verschiedener Größe aufgenommen werden. Die Sensorabschnitte 104', 104', ... können mit jeweiligen verschiedenen Proben Sn (S₁, S₂, S₃, ...) bestückt sein, und man kann sukzessive eine Analyse der einzelnen Proben Sn vornehmen. In derartigen Fällen sind Bond-Reaktionsfilme a, a, ... auf den einzelnen Metalfilmen 103, 103, ... der Sensorabschnitte 104', 104', ... ausgebildet. Ferner sind die Proben Sn bezüglich der jeweiligen Bond-Reaktionsfilme a, a, ... angeordnet. Alternativ können gemäß 22 unterschiedliche Arten von Bond-Reaktionsfilmen a, b, c, d, ... mit unterschiedlichen Arten von Antigenen (oder Antikörpern) auf den Metallfilmen 103, 103, ... der Sensorabschnitte 104'', 104'', ... ausgebildet sein, und man kann sukzessive unterschiedliche Phänomene ermitteln bezüglich einer einzelnen Probe S in Verbindung mit den Bond-Reaktionsfilmen a, b, c, d, ...
Bei der elften Ausführungsform nach 18 ist wie bei der in 17 gezeigten zehnten Ausführungsform eine Kopplereinrichtung 110 derart ausgebildet, daß der Teil 113, der konvex nach unten ragt, in einem Teil der Zelle 112 ausgebildet ist, wobei die Seitenflächen des konvexen Teils 113 durch die Glasfenster 114 und 115 gebildet sein können. Der Lichtstrahl L wird durch das Glasfenster 114 eingekoppelt und wird aus dem Glasfenster 115 abgestrahlt. Wenn eine Analyse vorgenommen wird, wird Anpaßflüssigkeit in die Vertiefung eingefüllt, die von der Zelle 112 und dem Optikgehäuse 141 umgeben ist, welches weiter unten noch beschrieben wird, so daß die Bodenfläche des Sensorabschnitthalters 105 in die Anpaßflüssigkeit 5 eintauchen kann.
Eine Lichtquellenoptik 120 erzeugt den Lichtstrahl L und veranlaß diesen, in die Kopplereinrichtung 110 einzutreten. Die Lichtquellenoptik 120 beinhaltet eine Lichtquelleneinrichtung 123 mit der Lichtquelle 121, beispielsweise in Form eines Halbleiterlasers, und den Kollimator 122. Die Lichtquellenoptik 120 enthält ferner einen telezentrischen Abtaster 124, bei dem es sich um eine Lichtablenkeinrichtung unter Verwendung eines telezentrischen optischen Systems handelt. Der telezentrische Abtaster 124 enthält einen Galvanometerspiegel 125 und eine fθ-Linse 126. Der von der fθ-Linse 126 zu einem Lichtfleck konvergierte Lichtstrahl tritt durch das Glasfenster 114 in die Kopplereinrichtung 110 ein. Abhängig von dem Schwingvorgang des Galvanometerspiegels 125 wird die Einfallposition oder Auftreffstelle des Lichtstrahls L am Glasfenster 114 parallel entlang der Richtung des Doppelpfeils Y verschoben. Der aus der Lichtquelleneinrichtung 123 kommende Lichtstrahl L tritt in die Kopplereinrichtung 110 als P-polarisiertes Licht ein. Der gebündelte Lichtstrahl L enthält Komponenten, die unter verschiedenen Einfallwinkeln θ auf der Grenzfläche 107 zwischen dem transparenten Hauptsubstrat 102 und dem Metallfilm 103 auftreffen. Die Auftreffwinkel sind derart eingestellt, daß sie nicht kleiner sind als der kritische Totalreflexionswinkel, so daß der Lichtstrahl L an der Grenzfläche totalreflektiert wird.
Eine Detektoreinrichtung 130 detektiert den an der Grenzfläche 107 reflektierten Lichtstrahl, der aus dem Glasfenster 115 der Kopplereinrichtung 110 ausgetreten ist. Auf der Seite der Detektoreinrichtung 130 befindet sich eine fθ-Linse 131, so daß sich der Lichtstrahl zuverlässig von der Detektoreinrichtung 130 erfassen läßt.
Bei der in 18 gezeigten elften Ausführungsform befinden sich die Kopplereinrichtung 110, die optische Lichtquelleneinrichtung 120 und die Detektoreinrichtung 130 an der Basis 140. An der Basis 140 ist das Optikgehäuse 141 derart ausgebildet, daß es die optische Lichtquelleneinrichtung 120 und dergleichen umfaßt. Die Kopplereinrichtung 110 ist an dem Optikgehäuse 141 festgemacht. Außerdem sind die fθ-Linse 126 auf der Seite der optischen Lichtquelleneinrichtung 120 und die fθ-Linse 131 auf der Seite der Detektoreinrichtung 130 an der Unterseite der Kopplereinrichtung 110 aufgehängt und gehaltert.
Das Gerätegehäuse 142 ist an der Basis 140 derart angebracht, daß es das Optikgehäuse 141 umschließt. Eine Führungsschiene 143', die sich in Richtung des Doppelpfeils X erstreckt und die Sensoreinheit 101 führt, befindet sich auf der Oberseite des Gerätegehäuses 142. Das Gerätegehäuse 142 und die Führungsschiene 143' bilden zusammen die Sensoreinheitenbefestigung zum Haltern der Sensoreinheit 101 derart, daß der Abstand zwischen der Sensoreinheit 101 und der Kopplereinrichtung 110 auf einem vorbestimmten Wert gehalten werden kann. Die Sensoreinheit 101 läßt sich entlang der Führungsschiene 143' in Richtung des Doppelpfeils X bewegen, während der Abstand zwischen der Sensoreinheit 101 und der Kopplereinrichtung 110 auf einem vorbestimmten Wert verbleibt. Insbesondere bei der elften Ausführungsform entspricht die Führungsschiene 143' an der Basis 140 der Sensoreinheiten-Relativbewegungseinrichtung.
Wie oben beschrieben wurde, kann bei der elften Ausführungsform eine zweidimensionale Abtastung vorgenommen werden durch die Bewegung der Sensoreinheit 101 in Richtung des Doppelpfeils X und durch das Verschieben der Lichtstrahleinfallposition in Richtung des Doppelpfeils Y, wobei die Verschiebung von dem telezentrischen Abtaster 124 der optischen Lichtquelleneinrichtung 120 ausgeführt wird.
Im folgenden soll anhand der 23 eine zwölfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Oberflächenplasmonensensors beschrieben werden. Bei der zwölften Ausführungsform werden wie bei der in 18 gezeigten elften Ausführungsform die Sensoreinheit 101, die Kopplereinrichtung 110, die optische Lichtquelleneinrichtung 120 und die Detektoreinrichtung 130 verwendet. Die optische Lichtquelleneinrichtung 120 und die Detektoreinrichtung 130 befinden sich auf einem beweglichen Bett 145, und das Optikgehäuse 146 ist auf dem beweglichen Bett 145 derart ausgebildet, daß es die optische Lichtquelleneinrichtung 120 und dergleichen umfaßt. Die Kopplereinrichtung 110 ist an dem Optikgehäuse 146 befestigt. Außerdem sind die fθ-Linse 126 auf der Seite der optischen Lichtquelleneinrichtung 120 und die fθ-Linse 131 auf der Seite der Detektoreinrichtung 130 an der Unterseite der Kopplereinrichtung 110 aufgehängt und gehaltert.
Eine Führungsschiene 148, die in Richtung des Doppelpfeils X verläuft, befindet sich an einer Basis 147. Das bewegliche Bett 145 befindet sich an der Führungsschiene 148 und kann entlang der Führungsschiene 148 entlang der Richtung des Doppelpfeils X bewegt werden. Die Bewegung des beweglichen Betts 145 in Richtung des Doppelpfeils X bedeutet, daß die optische Lichtquelleneinrichtung 120 in Richtung des Doppelpfeils X bewegt wird. Entsprechend der Bewegung der optischen Lichtquelleneinrichtung 120 wird die Einfallposition oder Auftreffstelle des Lichtstrahls L an der Grenzfläche 107 in Richtung des Doppelpfeils X verschoben. An der Basis 147 ist ein Gerätegehäuse 149 derart ausgebildet, daß es das Optikgehäuse 146 umschließt. An der Oberseite des Gerätegehäuses 149 ist die Sensoreinheit 101 befestigt. Insbesondere dient das Gerätegehäuse 149 auch als Sensoreinheitenbefestigung zum Haltern der Sensoreinheit 101. Der Sensorabschnitt 104 ist mit einer Probenzuführeinheit 150 zum Zuführen der zu analysierenden Probe S ausgestattet.
Wie oben beschrieben wurde, erfolgt bei der zwölften Ausführungsform eine zweidimensionale Abtastung durch die Bewegung des beweglichen Betts 145 in Richtung des Doppelpfeils X und die Verschiebung der Lichtstrahleinfallposition in Richtung des Doppelpfeils Y, wobei die Verschiebung durch den telezentrischen Abtaster 124 der optischen Lichtquelleneinrichtung 120 ausgeführt wird.
Im folgenden soll anhand der 24 und 25 eine dreizehnte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Oberflächenplasmonensensors erläutert werden. 24 ist eine Seitenansicht der dreizehnten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Oberflächenplasmonensensors. 25 ist eine Ansicht aus der Richtung des Pfeils A in 24. 25 ist eine Teilschnittansicht, in der mehrere Teile des Oberflächenplasmonensensors weggelassen sind.
Wie bei der in 23 gezeigten zwölften Ausführungsform ist die dreizehnte Ausführungsform nach 24 mit dem zweidimensionalen Abtastmechanismus ausgestattet. Allerdings unterscheidet sich die dreizehnte von der zwölften Ausführungsform dadurch, daß die Lichtquelleneinrichtung 123, die mit der Lichtquelle 121, beispielsweise in Form eines Halbleiterlasers, und dem Kollimator 122 ausgestattet ist, ebenso wie die Detektoreinrichtung 130 außerhalb des Gerätegehäuses 149 angeordnet sind. Speziell ist bei der dreizehnten Ausführungsform eine Optik 128 für eine Lichtquelle mit einem Spiegel 127 und dem telezentrischen Abtaster 124 zum Reflektieren und zum Ablenken des Lichtstrahls L, der aus der Lichtquelleneinrichtung 123 kommt, ausgestattet, so daß der Lichtstrahl L in die Kopplereinrichtung 110 eintreten kann. Außerdem ist eine Optik 135 für eine Detektoreinrichtung mit einer Linse 132 und mit Spiegeln 133, 134 zum Leiten des Lichtstrahls, der aus der Kopplereinrichtung 110 austritt, zu der Detektoreinrichtung 130 ausgestattet. Die Optik 128 für die Lichtquelle und die Optik 135 für die Detektoreinrichtung sind in dem Optikgehäuse 146 untergebracht. Die Lichtquelleneinrichtung 123 und die Detektoreinrichtung 113 können außerhalb des Gerätegehäuses 149 angeordnet werden.
Die Lichtquelle 121 und die Detektoreinrichtung 130 können je nach Art der zu analysierenden Substanz und der gewünschten Analysegenauigkeit durch neue Elemente ausgetauscht werden. Deshalb sind die Lichtquelle 121 und die Detektoreinrichtung 130 lösbar gelagert. Beispielsweise dann, wenn ein großer dynamischer Bereich erreicht werden soll, wird die Detektoreinrichtung 130 durch ein CCD-Element ersetzt. Wenn eine besonders genaue Analyse erstellt werden soll, wird die Detektoreinrichtung 130 als zweiteilige Photodiode ausgebildet. Da die Lichtquelleneinrichtung 123 und die Detektoreinrichtung 130 sich außerhalb des Gerätegehäuses 149 befinden, können sie sehr leicht durch neue Elemente ausgetauscht werden.
Wenn die Lichtquelle und die Detektoreinrichtung sich innerhalb des Optikgehäuses 146 befinden, sind die Lichtquelle und die Detektoreinrichtung hinsichtlich ihrer Ausgestaltung beschränkt, da sie in dem begrenzten Platz aufgenommen werden müssen. Bei der dreizehnten Ausführungsform jedoch, bei der die Lichtquelle und die Detektoreinrichtung sich außerhalb des Optikgehäuses 146 befinden, besteht bezüglich der Formen der Lichtquelle und der Detektoreinrichtung keine Beschränkung, und diese Teile können verschiedene gewünschte Formen annehmen. Beispielsweise besteht die Möglichkeit, mehrere Lichtquellen und mehrere Detektoreinrichtungen zu verwenden.
Alternativ kann eine Lichtquelle, bei der es sich um einen Halbleiterlaser oder dergleichen handeln kann, unabhängig von der Basis 147 an einer Stelle angeordnet werden, an der das Optikgehäuse 146 und das Gerätegehäuse 149 angebracht sind. Dabei kann der von der Lichtquelle erzeugte Lichtstrahl durch eine Lichtleitfaser, insbesondere durch eine Lichtleitfaser mit Erhaltung der Polarisationsebene, zu der optischen Einrichtung für die Lichtquelle geleitet werden.
Wie bei der in 24 gezeigten dreizehnten Ausführungsform kann auch die oben erläuterte elfte Ausführungsform nach 18 so modifiziert werden, daß die Lichtquelle und die Detektoreinrichtung sich außerhalb des Gerätegehäuses 142 befinden. Alternativ kann die elfte Ausführungsform nach 18 so modifiziert werden, daß die Lichtquelle sich an einer Stelle unabhängig von der Basis 140 befindet, wobei der von der Lichtquelle erzeugte Lichtstrahl durch eine Lichtleitfaser zu der optischen Einrichtung für die Lichtquelle geführt werden kann.
Die siebte bis dreizehnte Ausführungsform, die oben beschrieben wurden, lassen sich derart modifizieren, daß entweder die Sensoreinheit-Relativbewegungseinrichtung oder die Einfallpositions-Verschiebeeinrichtung vorhanden ist, wobei die Analysen dann in Bezug auf mehrere Proben durchgeführt werden, die in eindimensionaler Richtung angeordnet werden.
Im folgenden wird eine vierzehnte und eine fünfzehnte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Oberflächenplasmonensensors beschrieben.
26 ist eine Seitenansicht einer vierzehnten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Oberflächenplasmonensensors.
Wie in 26 gezeigt ist, enthält der Oberflächenplasmonensensor hauptsächlich die Sensoreinheit 1, die mit dem Metallfilm ausgestattet ist, der in Berührung mit der zu analysierenden Probe S gebracht wird und aus beispielsweise Gold oder Silber bestehen kann. Außerdem enthält der Oberflächenplasmonensensor die Sensoreinheiten-Trägereinrichtung 15 zum Haltern der Sensoreinheit 1. Weiterhin enthält der Oberflächenplasmonensensor die Kopplereinrichtung 10, die in Bezug auf die Sensoreinheit 1 angeordnet ist. Die Anpaßflüssigkeit 5 befindet sich zwischen der Sensoreinheit 1 und der Kopplereinrichtung 10. Der Oberflächenplasmonensensor enthält weiterhin eine optische Lichtquelleneinrichtung 320 zum Erzeugen eines Lichtstrahls, der in die Kopplereinrichtung 10 eingeleitet wird, und eine Photodetektoreinrichtung 330 zum Detektieren des ATR-Winkels θ_sp aus dem aus der Kopplereinrichtung 10 ausgestrahlten Lichtstrahl.
Die vierzehnte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Oberflächenplasmonensensors wird im folgenden detailliert beschrieben.
Die Sensoreinheit 1 enthält das transparente Substrat (das Sensorsubstrat) 2 gleichförmiger Dicke aus Glas oder dergleichen, und den auf dem transparenten Substrat 2 ausgebildeten Metallfilm 3, der beispielsweise aus Gold oder Silber besteht. Bei dieser Ausführungsform wird die Kombination aus dem Metallfilm 3 und dem (nicht gezeigten) Bond-Reaktionsfilm, der auf dem Metallfilm 3 ausgebildet ist, als Sensorfilm bezeichnet.
Die Kopplereinrichtung 10 enthält die Zelle 12, die aus Glas besteht und die Ausnehmung 11 auf der der Sensoreinheit zugewandten Seite besitzt, und einen Lichtstrahleintrittsbereich 313 sowie einen Lichtstrahlabstrahlbereich 314, die auf der anderen Seite der Zelle 12 ausgebildet sind. Sowohl der Lichtstrahleintrittsbereich 313 als auch der Lichtstrahlabstrahlbereich 314 besteht aus einem optischen Hologrammelement. Die Sensoreinheitenträgereinrichtung (die Sensoreinheitenbefestigung) 15 zum Haltern der Sensoreinheit 1 befindet sich an einem Abschnitt der Kopplereinrichtung 10. Die Sensoreinheitenbefestigung 15 haltert die Sensoreinheit 1 derart, daß der Abstand zwischen dem transparenten Substrat 2 und der Zelle 12 einem vorbestimmten Wert entsprechen kann. Der Abstand zwischen dem transparenten Substrat 2 und der Kopplereinrichtung 10 ist mit der Anpaßflüssigkeit 5 gefüllt. Das transparente Substrat 2, die Kopplereinrichtung 10 mit ihrem Lichtstrahleintrittsbereich 313 und ihrem Lichtstrahlabstrahlbereich 314, die jeweils durch ein optisches Hologrammelement gebildet sind, und die Anpaßflüssigkeit 5 besitzen Brechungsindizes, die etwa gleich groß sind, demzufolge die Reflexion des Lichtstrahls an den Grenzflächen zwischen den Teilen verhindert werden kann.
Die optische Lichtquelleneinrichtung 320 enthält eine Lichtquelle 321, die einen Lichtstrahl L erzeugt und beispielsweise aus einem Halbleiterlaser bestehen kann. Die optische Lichtquelleneinrichtung 320 enthält ferner eine Linse 322 zum Abstrahlen des Lichtstrahls L in Form von kollimiertem Licht. Die optische Lichtquelleneinrichtung 320 befindet sich auf einer Bühne 327 für eine optische Lichtquelleneinrichtung und kann in Richtung des Doppelpfeils X und auf der Bühne 327 für die optische Lichtquelleneinrichtung bewegt werden. Der von der Lichtquelle 321 erzeuge Lichtstrahl L wird von einem (nicht gezeigten) Polarisator in P-polarisiertes Licht umgewandelt und dann dazu gebracht, über den Lichtstrahleintrittsbereich 313 in die Kopplereinrichtung 10 einzutreten. Dann trifft der Lichtstrahl L unter einem vorbestimmten Einfallwinkel θ auf die Grenzfläche 4 zwischen dem transparenten Substrat 2 und dem Metallfilm 3. Dabei läßt sich der Einfallwinkel θ auf unterschiedliche verschiedene Werte einstellen, indem die optische Lichtquelleneinrichtung 320 in Richtung des Doppelpfeils X und auf der Bühne 327 für die optische Lichtquelleneinrichtung bewegt wird. Der Vorgang des Bewegens der optischen Lichtquelleneinrichtung 320 in Richtung des Doppelpfeils X ist äquivalent zum Bewegen der Lichtquelle 321 in einer zu der Grenzfläche 4 parallelen Ebene und in einer Richtung auf die Brennpunktlage des Lichtstrahls auf der Grenzfläche 4 zu oder in eine Richtung weg von der Brennpunktlage. Der Einfallwinkel θ des Lichtstrahls L an der Grenzfläche 4 ist so eingestellt, daß er in einem Winkelbereich liegt, der nicht kleiner als der kritische Totalreflexionswinkel ist, demzufolge der Lichtstrahl L an der Grenzfläche 4 einer Totalreflexion unterzogen wird.
Das optische Hologrammelement, welches sowohl für den Lichtstrahleintrittsbereich 313 als auch für den Lichtstrahlabstrahlbereich 314 verwendet wird, ist so ausgebildet, daß es Linsenfunktion besitzt, um den Lichtstrahl zu konvergieren, und außerdem Aberrations-Kompensationsfunktion aufweist, um den kollimierten Lichtstrahl auf einen einzelnen Fleck zu konzentrieren. Wie in 23 gezeigt ist, ist zum Beispiel ein durch die gestrichelten Linien angedeuteter optischer Weg derart eingerichtet, daß der unter einem vorbestimmten Winkel auftreffende kollimierte Lichtstrahl auf einen vorbestimmten Punkt P auf der Grenzfläche 4 gesammelt werden kann. Auf diese Weise wird jeder kollimierte Lichtstrahl, der auf den Lichtstrahleintrittsbereich 313 aus einer anderen Einfallposition auftrifft, auf den vorbestimmten Punkt P konzentriert. Wenn also die Auftreffstelle des kollimierten Lichtstrahls L von einer Stelle X₁ zu einer Stelle X₂ in Pfeilrichtung in 27 verschoben wird, läßt sich der Einfallwinkel des Lichtstrahls auf den vorbestimmten Punkt P von θ₁ auf θ₂ ändern. Folglich kann der Lichtstrahl dazu gebracht werden, unter verschiedenen Einfallwinkeln auf den vorbestimmten Punkt P auf der Grenzfläche 4 aufzutreffen, indem lediglich die optische Lichtquelleneinrichtung 320 parallel bewegt wird.
Als Photodetektoreinrichtung 330 kann beispielsweise eine Photodiode, eine zweiteilige Photodiode gemäß dem US-Patent 5 875 032, ein Photodiodenarray, ein CCD-Liniensensor oder dergleichen verwendet werden. Entsprechend einer Änderung der Auftreffstelle des Lichtstrahls L ändert sich auch die Stelle des Lichtstrahls L, wenn dieser von dem optischen Hologrammelement für die Lichtstrahlführung abgestrahlt wird. Deshalb befindet sich die Photodetektoreinrichtung 330 auf einer Bühne 337 für die Photodetektoreinrichtung und läßt sich in Richtung des Doppelpfeils X und auf der Bühne 337 bewegen. Die optische Lichtquelleneinrichtung 320 und die Photodetektoreinrichtung 330 werden synchron auf den Bühnen 327 und 337 aufeinander zu oder abrückend voneinander bewegt. Auf diese Weise kann der Lichtstrahl L, der von der optischen Lichtquelleneinrichtung 320 abgestrahlt und an der Grenzfläche 4 reflektiert wurde, zuverlässig von der Photodetektoreinrichtung 330 erfaßt werden.
Im folgenden soll beschrieben werden, wie eine Probenanalyse mit der vierzehnten Ausführungsform des den obigen Aufbau aufweisenden Oberflächenplasmonensensors durchgeführt wird. Die zu analysierende Probe S wird derart angeordnet, daß sie in Berührung mit dem Metallfilm 3 steht. Der von der optischen Lichtquelleneinrichtung 320 erzeugte und in P-polarisiertes Licht umgewandelte Lichtstrahl L gelangt über den Lichtstrahleintrittsbereich 313 in die Kopplereinrichtung 10. Der Lichtstrahl L durchläuft die Kopplereinrichtung 10 und die Anpaßflüssigkeit 5 und trifft dann auf die Grenzfläche 4 zwischen dem transparenten Substrat 2 und dem Metallfilm 3 auf. Wie oben beschrieben, wird die optische Lichtquelleneinrichtung 320 in Richtung des Doppelpfeils X und auf der Bühne 327 bewegt, und hierdurch wird der Lichtstrahl L dazu gebracht, unter verschiedenen Einfallwinkeln θ auf die Grenzfläche 4 aufzutreffen. Anschließend wird der Lichtstrahl L an der Grenzfläche 4 totalreflektiert und über den Lichtstrahlabstrahlbereich 314 ausgestrahlt. Die Intensität des Lichtstrahls L, der auf diese Weise über den Lichtstrahlabstrahlbereich 314 abgestrahlt wurde, wird von der Photodetektoreinrichtung 330 ermittelt.
Ein von der Photodetektoreinrichtung 330 ermitteltes Photodetektorsignal repräsentiert die Intensität I des totalreflektierten Lichtstrahls L in Abhängigkeit der Einfallwinkel θ an der Grenzfläche 4. 2 zeigt näherungsweise die Beziehung zwischen der Intensität I des reflektierten Lichtstrahls und den Auftreffwinkeln θ.
Das unter einem spezifischen Einfallwinkel (das heißt dem ATR-Winkel) θ_sp an der Grenzfläche 4 auftreffende Licht regt Oberflächenplasmonen an der Grenzfläche zwischen dem Metallfilm 3 und der Probe S an. Wenn das Licht unter dem spezifischen Einfallwinkel θ_sp auf die Grenzfläche 4 auftrifft, wird die Intensität I des reflektierten Lichts deutlich gering. Aus dem von der Photodetektoreinrichtung 330 ermittelten Photodetektorsignal läßt sich der ATR-Winkel θ_sp bestimmen. Wie oben im einzelnen erläutert wur de, läßt sich die in der Probe S enthaltene spezifische Substanz quantitativ abhängig vom Wert des ATR-Winkels θ_sp analysieren.
Eine fünfzehnte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Oberflächenplasmonensensors, der vom sogenannten zweidimensionalen Abtast-Typ ist, wird im folgenden erläutert. 28 ist eine Seitenansicht der fünfzehnten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Oberflächenplasmonensensors. 29 ist eine Ansicht aus Pfeilrichtung A in 28. 30 ist eine Ansicht aus der Pfeilrichtung B in 28. Allerdings ist in 28 die optische Lichtquelleneinrichtung 320 nicht gezeigt. Außerdem ist 30 eine Teil-Schnittansicht. Bei der fünfzehnten Ausführungsform sind für gleiche Bauteile und gleiche Betriebsteile bei der oben erläuterten vierzehnten Ausführungsform detaillierte Erläuterungen weggelassen. Lediglich werden im folgenden die unterschiedlichen Merkmale erläutert.
Die Sensoreinheit 1 enthält das transparente Substrat (Sensorsubstrat) 2, welches gleichmäßige Dicke besitzt und zum Beispiel aus Glas besteht, ferner den Metallfilm 3 auf dem transparenten Substrat 2, hergestellt aus Gold, Silber oder dergleichen. Die wasserdichte Wand 6 ist derart ausgebildet, daß sie den Metallfilm 3 umgeben kann. Soll eine Analyse durchgeführt werden, wird der untere Teil der Sensoreinheit 1 in die Anpaßflüssigkeit 5 eingetaucht.
Wie in 29 zu sehen ist, besitzt bei der fünfzehnten Ausführungsform die Kopplereinrichtung 10 einen Aufbau, der sich in einer Richtung erstreckt, und die Sensoreinheitenbefestigung 15 verläuft entlang der Ausnehmung 11 der Kopplereinrichtung 10. Die Sensoreinheitenbefestigung 15 ist mit einer Führungsschiene (nicht dargestellt) ausgestattet, und die Sensoreinheit 1 kann entlang der Führungsschiene, das heißt entlang der Sensoreinheitenbefestigung 15, bewegt werden. Die Führungswelle 76 ist an der Sensoreinheit 1 befestigt. Außerdem wird die Führungswelle 76 zwischen den Rollen 77, 77 ergriffen und durch die Drehung der Rollen 77, 77 bewegt. Abhängig von der Drehung der Rollen 77, 77 wird die Transportwelle 76 bewegt, und die Sensoreinheit 1 wird von der Transportwelle 76 in Richtung des Doppelpfeils X bewegt. Speziell wird bei der fünf zehnten Ausführungsform die Sensoreinheiten-Relativbewegungseinrichtung gebildet durch die Führungsschiene der Sensoreinheitenbefestigung 15, die Transportwelle 76 und die Rollen 77, 77.
Die optische Lichtquelleneinrichtung 320 enthält die Lichtquelle 321, die einen Lichtstrahl L erzeugt und durch beispielsweise einen Halbleiterlaser gebildet werden kann. Die optische Lichtquelleneinrichtung 320 enthält ferner eine Zylinderlinse 322 und einen telezentrischen Scanner 326, bei dem es sich um eine Lichtablenkeinrichtung handelt, die von einem telezentrischen optischen System Gebrauch macht. Der telezentrische Scanner 326 enthält einen Galvanometerspiegel 324, welcher sich an einer Stelle befindet, die der Brennweite der Zylinderlinse 322 entspricht, und eine Zylinderlinse 325. Der von der Lichtquelle 321 erzeugte Lichtstrahl L wird von der Zylinderlinse 322 auf den Galvanometerspiegel 324 fokussiert. Dann wird der Lichtstrahl L von dem Galvanometerspiegel 324 reflektiert und trifft auf die Zylinderlinse 325 des telezentrischen Scanners 326. Der Lichtstrahl wird von der Zylinderlinse 325 kollimiert und dazu gebracht, über den Licht strahleintrittsbereich 313 in die Kopplereinrichtung 10 einzutreten. Bei dieser Ausführungsform besitzt das optische Hologrammelement, welches sowohl den Lichtstrahleintrittsbereich 313 als auch den Lichtstrahlabstrahlbereich 314 bildet, die Funktion der Zylinderlinse und die Aberrations-Kompensationsfunktion. Der in die Kopplereinrichtung 10 über den Lichtstrahleintrittsbereich 313 gelangte Lichtstrahl wird in eine Richtung auf die Grenzfläche 4 zwischen dem Metallfilm 3 und dem transparenten Substrat 2 gebündelt. Bei dieser Ausführungsform besitzt das optische Hologrammelement Zylinderlinsenfunktion mit einer Brechkraft lediglich in der Ebene, die parallel zur Zeichnungsebene der 28 verläuft. Die Richtung rechtwinklig zur Zeichnungsebene der 28 ist die axiale Richtung der Zylinderlinsenfunktion. Diese axiale Richtung der Zylinderlinsenfunktion ist die gleiche wie die durch Doppelpfeile Y in 30 angedeuteten Richtungen. Abhängig von der Schwingbewegung des Galvanometerspiegels 324 verschiebt sich die Auftreffstelle des Lichtstrahls L am Lichtstrahleintrittsbereich 313 parallel entlang der Doppelpfeilrichtungen Y.
Wie oben beschrieben wurde, wird bei der fünfzehnten Ausführungsform nach 28 der telezentrische Scanner 326 als Mittel zum Verschieben der Auftreffstelle des Lichtstrahls L verwendet. Alternativ kann beispielsweise die Auftreffstellen-Verschiebeeinrichtung derart gebildet sein, daß die Bühne 327 für die optische Lichtquelleneinrichtung, auf welcher sich die optische Lichtquelleneinrichtung 320 befindet, auf einer Bühne angeordnet sein, die ihrerseits in Richtung des Doppelpfeils Y bewegt werden kann. Auf diese Weise läßt sich die Bühne 327 in Richtung des Doppelpfeils Y bewegen, wodurch die Auftreffstelle des Lichtstrahls parallel entlang der Richtung des Doppelpfeils Y verschoben wird.
Die Lage der Photodetektoreinrichtung 330 ist derart geregelt, daß sie den Lichtstrahl, der an der Grenzfläche 4 reflektiert wurde und aus dem Lichtstrahlausstrahlbereich 314 ausgetreten ist, zuverlässig erfassen kann.
Im folgenden soll beschrieben werden, wie die Probenanalyse mit der fünfzehnten Ausführungsform des den obigen Aufbau aufweisenden Oberflächenplasmonensensors durchgeführt wird. Zunächst werden gemäß 11A mehrere Probenzellen 8, 8, ..., die unterschiedliche Proben S₁, S₂, S₃, ... enthalten, auf dem Sensorfilm plaziert. Die Probe Sn (n = 1, 2, 3, ...) werden derart plaziert, daß sie mit dem Sensorfilm in Berührung treten können.
Bei der fünfzehnten Ausführungsform wird die Sensoreinheit 1 intermittierend entlang der Führungsschiene der Sensoreinheitenbefestigung 15 und in die durch den Doppelpfeil X angedeuteten Richtungen bewegt. Außerdem wird mit Hilfe des telezentrischen Scanners 326 der Lichtstrahl L parallel in Richtungen des Doppelpfeils Y verschoben. Der Lichtstrahl L wird hierdurch dazu gebracht, sukzessive auf diejenigen Bereiche der Grenzfläche 4 aufzutreffen, die den Proben Sn entsprechen. Auf diese Weise werden Analysen der einzelnen Proben durchgeführt. Die Analyse für jede Probe wird in der unten beschriebenen Weise durchgeführt. Insbesondere wird in der gleichen Weise wie bei der oben erläuterten vierzehnten Ausführungsform nach 26 die optische Lichtquelleneinrichtung 320 in Richtung des Doppelpfeils X und auf der Bühne 327 für die optische Lichtquelleneinrichtung bewegt, wodurch der Lichtstrahl L unter verschiedenen Einfallwinkeln auf denjenigen Bereich der Grenzfläche 4 auftrifft, der der jeweiligen Probe entspricht. Außerdem wird die Intensität des Lichtstrahls L, der so von der Grenzfläche 4 totalreflektiert wurde und aus dem Lichtstrahlabstrahlbereich 314 ausgestrahlt wurde, von der Photodetektoreinrichtung 330 erfaßt. Die so durchgeführte zweidimensionale Abtastung sieht vor, daß der Lichtstrahl L unter den gleichen Bedingungen in Bezug auf die Proben Sn abgestrahlt wird. Auf diese Weise können die Analysen der mehreren Proben Sn rasch und effizient ausgeführt werden.
Wie oben erläutert wurde, kann bei der fünfzehnten Ausführungsform die zweidimensionale Abtastung mit dem Lichtstrahl L durchgeführt werden. Deshalb ist die fünfzehnte Ausführungsform auch dann anwendbar, wenn zum Beispiel eine Probe wie ein Gel-Flachstück, welches bei der Elektrophorese eingesetzt wurde, auf dem Metallfilm 3 plaziert und in zweidimensionale Richtungen abgetastet wird, wobei die zweidimensionale Information über die physikalischen Eigenschaften einer in der Probe enthaltenen und zu analysierenden Substanz gewonnen wird.
Wie in 12 gezeigt ist, können mehrere Zonen 3a, 3a, ... auf dem Metallfilm 3 eingerichtet werden, und es können Sensorfilme mit unterschiedlichen Bond-Reaktionsfilmen für die Zonen 3a, 3a, ... verwendet werden. In diesem Zustand kann eine zweidimensionale Abtastung mit dem Lichtstrahl erfolgen, und auf diese Weise können Analysen unterschiedlicher Immunreaktionen und dergleichen durchgeführt werden, die in den einzelnen Zonen stattfinden, wobei die Analysen sich auf die betreffenden Zonen beziehen.
Die oben beschriebene fünfzehnte Ausführungsform läßt sich in der Weise modifizieren, daß entweder nur die Sensoreinheiten-Relativbewegungseinrichtung oder die Einfallpositions-Verschiebeeinrichtung vorhanden ist, wobei die Analysen dann in Bezug auf mehrere Proben durchgeführt werden, die in eindimensionaler Richtung angeordnet sind.

Claims

Oberflächenplasmonensensor, umfassend: eine Sensoreinheit (1, 101) mit einem transparenten Substrat (2, 102), das einen vorbestimmten Brechungsindex besitzt, und einem Metallfilm (3, 103), der sich auf einer Oberflächenseite des transparenten Substrats (2, 102) befindet, eine Kopplereinrichtung (10, 110), die sich an der anderen Oberflächenseite des transparenten Substrats (2, 102) befindet, die der einen Oberflächenseite abgewandt ist, wobei eine Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit (5) mit einem Brechungsindex, der etwa so groß ist wie der vorbestimmte Brechungsindex, den Raum zwischen dem transparenten Substrat (2, 102) und der Kopplereinrichtung (10, 110) ausfüllt, wobei die Kopplereinrichtung (10, 110) einen Lichtstrahleintrittsbereich (13, 50, 54, 313, 114) enthält, der in einem Bereich der Kopplereinrichtung (10, 110) ausgebildet ist, außerdem einen Lichtstrahlabstrahlbereich (13, 51, 55, 115, 314), der in einem anderen Bereich der Kopplereinrichtung (10, 110) ausgebildet ist, derart, daß die Kopplereinrichtung (10, 110) einen Lichtstrahl, der über den Lichtstrahl-Eintrittsbereich (13, 50, 54, 114, 313) eingetreten ist, weiterleiten kann, den weitergeleiteten Lichtstrahl (L) dazu bringen kann, auf eine Grenzfläche (4) zwischen dem transparenten Substrat (2, 102) und dem Metallfilm (3, 103) aufzutreffen, den an der Grenzfläche (4) totalreflektierten Lichtstrahl weiterleiten kann, und dann den totalreflektierten Lichtstrahl aus dem Licht strahl-Abstrahlbereich (13, 51, 55, 115, 314) abstrahlen kann, wobei Bereiche der Kopplereinrichtung (10, 110), die den Lichtstrahl (L) weiterleiten, einen Brechungsindex besitzen, der etwa so groß ist wie der vorbestimmte Brechungsindex, wobei der Oberflächenplasmonensensor den Lichtstrahl (L) dazu bringt, aus dem Lichtstrahl-Eintrittsbereich (13, 50, 54, 114, 313) einzutreten, und einen gedämpften Totalreflexionswinkel θ_sp aus dem Lichtstrahl detektiert, der an der Grenzfläche (4) totalreflektiert wurde und von dem Lichtstrahl-Abstrahlbereich ausgestrahlt wurde, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sensoreinheiten-Trägereinrichtung (15, 105, 143, 148) vorgesehen ist, die die Sensoreinheit (1, 101) derart trägt, daß eine Entfernung zwischen dem transparenten Substrat und der Kopplereinrichtung (10, 110) auf einem vorbestimmten Wert gehalten werden kann.
Sensor nach Anspruch 1, bei dem die Sensoreinheiten-Trägereinrichtung (15, 105, 143, 148) an einem Teil der Kopplereinrichtung (10, 110) festgemacht ist.
Sensor nach Anspruch 1, der weiterhin eine Anpaßflüssigkeits-Zuführeinrichtung (41–44) aufweist, die die Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit (5) in den Raum leitet, außerdem ein Leerelement, welches mit dem Raum kommuniziert und ermöglicht, daß die Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit bis zu einer Stelle eingeleitet wird, die oberhalb der anderen Fläche des transparenten Substrats (2, 102) liegt, wobei die Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit (5) von der Anpaßflüssigkeits-Zuführeinrichtung (41–44) in den Raum gefüllt wird.
Sensor nach Anspruch 1, bei dem ein Flüssigkeitsreservoir (12, 41) zum Speichern der Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit (5) auf der Seite der Kopplereinrichtung (10, 110) gebildet ist, welche dem transparenten Substrat (2, 102) gegenübersteht, das transparente Substrat (2, 102) mit einer wasserdichten Wand (6) ausgestattet ist, die den Metallfilm (3, 103) umgibt, und die Sensoreinheit (1, 101) in dem Flüssigkeitsreservoir derart gelagert ist, daß die andere Fläche des transparenten Substrats (2, 102) in die Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit (5) eingetaucht sein kann.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Kopplereinrichtung mit einem Prisma (13) versehen ist, und der Lichtstrahl-Eintrittsbereich sowie der Lichtstrahl-Abstrahlbereich in dem Prisma (13) ausgebildet sind.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Lichtstrahl-Eintrittsbereich (50, 54) und der Lichtstrahl-Abstrahlbereich (51, 55) der Kopplereinrichtung (10) durch ein Beugungsgitter gebildet sind.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Kopplereinrichtung (10, 110) mit einem konvexen Bereich (53, 113) auf der Seite der Kopplereinrichtung (10, 110) ausgestattet ist, welche der dem transparenten Substrat (2, 102) zugewandten Seite abgewandt ist, sowohl die Seitenfläche des konvexen Bereichs (53) als auch die andere Seitenfläche, die der einen Seitenfläche abgewandt ist, durch eine transparente Platte (54, 55; 110, 115) gebildet wird, die Zone im Inneren des konvexen Bereichs (53, 113) mit der Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit (5) gefüllt ist, und die eine Seitenfläche und die andere Seitenfläche des konvexen Bereichs (53, 113) als Lichtstrahl-Eintrittsbereich bzw. als Lichtstrahl-Abstrahlbereich fungieren.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das transparente Substrat (2, 102) der Sensoreinheit (1, 101) durch ein transparentes Hauptsubstrat (102) und ein transparentes Trägersubstrat (106) gebildet wird, die den vorbestimmten Brechungsindex aufweisen und in enger Berührung miteinander stehen, der Metallfilm (103) sich auf dem transparenten Hauptsubstrat (102) befindet, und das transparente Trägersubstrat (106) derart angeordnet ist, daß es der Kopplereinrichtung (10) mit der dazwischen befindlichen Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit (5) gegenüberliegt.
Sensor nach Anspruch 8, bei dem das transparente Hauptsubstrat (102) und das transparente Trägersubstrat (106) in enger Berührung miteinander über die Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit (5) stehen, deren Brechungsindex in etwa so groß ist wie der vorbestimmte Brechungsindex.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem ein Bond-Reaktionsfilm sich auf dem Metallfilm (103) befindet und der Oberflächenplasmonensensor eine spezifische Substanz nachweist, die in der Lage ist, mit dem Bond-Reaktionsfilm eine bindende Reaktion einzugehen.
Sensor nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine Einfallpositions-Verschiebungseinrichtung (223, 326) und/oder eine Sensoreinheiten-Relativbewegungs-Einrichtung (76, 77; 143), wobei die Einfallposition-Verschiebungseinrichtung die Einfallposition des Lichtstrahls in dem Lichtstrahl-Eintrittsbereich (13, 50, 54, 313) derart verschiebt, daß der Lichtstrahl sukzessive auf verschiedene Bereiche der Grenzfläche (4) auftreffen kann, die entlang einer vorbestimmten Richtung bei gleichen Auftreffbedingungen verlaufen, die Sensoreinheiten-Relativbewegungseinrichtung (76, 77; 143) die Sensoreinheit (1, 101) gegenüber der Kopplereinrichtung (10, 110) und entlang einer vorbestimmten Richtung derart bewegt, daß der Abstand zwischen dem transparenten Substrat (2, 102) und der Kopplereinrichtung (10, 110) auf einem vorbestimmten Wert gehalten werden kann.
Sensor nach Anspruch 11, umfassend sowohl die Einfallpositions-Verschiebungseinrichtung (223, 326) als auch die Sensoreinheiten-Relativbewegungseinrichtung (76, 77; 143), und wobei die vorbestimmte Richtung, entlang der die verschiedenen Bereiche der Grenzfläche (4) von dem Verschiebevorgang seitens der Einfallpositions-Verschiebungseinrichtung (223, 326) erfolgen, und die vorbestimmte Richtung, entlang welcher die Sensoreinheit (1, 101) gegenüber der Kopplereinrichtung (10, 110) von der Sensoreinheiten-Relativbewegungseinrichtung (76, 77; 143) bewegt wird, einander schneiden.
Sensor nach Anspruch 11 oder 12, bei dem die Einfallpositions-Verschiebungseinrichtung ein telezentrisches optisches Abtastsystem (326) ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem die Sensoreinheiten-Trägereinrichtung (15, 105) an einem Teil der Kopplereinrichtung (10, 110) befestigt ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem eine optische Lichtquelleneinrichtung (20, 120, 220, 320) zum Erzeugen des Lichtstrahls und zum Veranlassen, daß der Lichtstrahl (L) in den Lichtstrahl-Eintrittsbereich (13, 50, 54, 313) eintritt, eine Detektoreinrichtung (30; 130; 330) zum Nachweisen eines gedämpften Totalreflexionswinkels θ_sp gegenüber dem aus dem Lichtstrahl-Abstrahlbereich ausgestrahlten Lichtstrahl, und die Kopplereinrichtung (10, 110) auf einer Basis angeordnet sind, wobei die Sensoreinheiten-Trägereinrichtung (15, 105) auf der Basis (140) angeordnet und daran befestigt ist, die Sensoreinheit (1, 101) von der Sensoreinheiten-Trägereinrichtung (15, 105) derart gelagert wird, daß die Sensoreinheit (1, 101) gegenüber der Kopplereinrichtung (10, 110) bewegt werden kann, und die Sensoreinheiten-Relativbewegungseinrichtung (76, 77; 143) die Sensoreinheit (1, 101 bewegt.
Sensor nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem die Sensoreinheiten-Trägereinrichtung (15, 105, 143) auf einer Basis (140, 147) angeordnet und daran befestigt ist, die Sensoreinheit (1, 101) von der Sensoreinheiten-Trägereinrichtung (15, 105) fest gehaltert wird, auf der Basis (140, 147) eine optische Systemeinheit (20, 120, 320) derart angeordnet ist, daß diese Einheit (20, 120, 320) gegenüber der Sensoreinheit (1, 101) bewegt werden kann, wobei die optische Systemeinheit (20, 120, 320) eine optische Lichtquelleneinrichtung (123, 321) zum Erzeugen des Lichtstrahls (L) und zum Veranlassen, daß der Lichtstrahl (L) in den Lichtstrahl-Eintrittsbereich (13, 50, 54, 313) eintritt, eine Detektoreinrichtung (135, 330) zum Nachweisen eines gedämpften Totalreflexionswinkels θ_sp gegenüber dem aus dem Lichtstrahl-Abstrahlbereich (13, 51, 55, 314) abgestrahlten Lichtstrahl, und die Kopplereinrichtung (10, 110) aufweist, und die Sensoreinheiten-Relativbewegungseinrichtung die optische Systemeinheit bewegt.
Sensor nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem sich auf einer Basis (140, 147) die Sensoreinheiten-Trägereinrichtung (143) befindet, die an der Basis befestigt ist, die Sensoreinheit (1) von der Sensoreinheiten-Trägereinrichtung (143) derart gehaltert wird, daß die Sensoreinheit gegenüber der Kopplereinrichtung (10) bewegt werden kann, die Sensoreinheiten-Relativbewegungseinrichtung die Sensoreinheit (1) bewegt, sich auf der Basis (140) eine optische Systemeinheit befindet, die eine optische Einrichtung (65) für eine Lichtquelle (123) aufweist, welche optische Einrichtung (65) den Lichtstrahl veranlaßt, in den Lichtstrahl-Eintrittsbereich (114) einzutreten, weiterhin aufweist: eine optische Einrichtung (66) für eine Detektoreinrichtung (30), welche den Lichtstrahl (L) der Detektoreinrichtung (30) zuleitet zum Nachweisen eines gedämpften Totalreflexionswinkels θ_sp gegenüber dem Lichtstrahl, der von dem Lichtstrahl-Abstrahlbereich (115) abgestrahlt wird, und die Kopplereinrichtung (10), und wobei die Lichtquelle (123) zum Erzeugen des Lichtstrahls und die Detektoreinrichtung (30) lösbar an der Basis (140) an von der optischen Systemeinheit unabhängigen Stellen angeordnet sind.
Sensor nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem die Sensoreinheiten-Trägereinrichtung (143') auf einer Basis (140) angeordnet und daran befestigt ist, die Sensoreinheit (101) fest an der Sensoreinheiten-Trägereinrichtung (105) gelagert ist, an der Basis (150) eine optische Systemeinheit derart angebracht ist, daß diese gegenüber der Sensoreinheit (101) bewegt werden kann, wobei die optische Systemeinheit aufweist: eine optische Einrichtung (126) für eine Lichtquelle, welche den Lichtstrahl veranlaßt, in den Lichtstrahl-Eintrittsbereich (110) einzutreten, eine optische Einrichtung (131) für eine Detektoreinrichtung (130), welche den Lichtstrahl der Detektoreinrichtung (130) zum Nachweisen eines gedämpften Totalreflexionswinkels θ_sp gegenüber dem aus dem Lichtstrahl-Abstrahlbereich (115) abgestrahlten Lichtstrahl leitet, und die Kopplereinrichtung, wobei die Sensoreinheiten-Relativbewegungseinrichtung (143') die optische Systemeinheit bewegt, und die Lichtquelle (123) zum Erzeugen des Lichtstrahls und die Detektoreinrichtung (130) lösbar auf der Basis (140) an Stellen unabhängig von der optischen Systemeinheit angeordnet sind.
Sensor nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem die Sensoreinheiten-Trägereinrichtung (148) sich auf einer Basis (147) befindet und daran befestigt ist, die Sensoreinheit (101) von der Sensoreinheiten-Trägereinrichtung (148) derart gehaltert wird, daß die Sensoreinheit (101) gegenüber der Kopplereinrichtung (110) bewegt werden kann, die Sensoreinheiten-Relativbewegungseinrichtung die Sensoreinheit (101) bewegt, eine optische Systemeinheit auf der Basis angeordnet ist, wobei die optische Systemeinheit umfaßt: eine optische Einrichtung (126) für die Lichtquelle (123), welche den Lichtstrahl veranlaßt, in den Lichtstrahl-Eintrittsbereich (114) einzutreten, eine Detektoreinrichtung (130) zum Nachweisen eines gedämpften Totalreflexionswinkels θ_sp gegenüber dem Lichtstrahl, der von dem Lichtstrahl-Abstrahlbereich (115) abgestrahlt wurde, und die Kopplereinrichtung (110), und wobei die Lichtquelle (123) zum Erzeugen des Lichtstrahls (L) unabhängig außen an der Basis (147) angebracht ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem die Sensoreinheiten-Trägereinrichtung (15) sich auf einer Basis (12) befindet und daran befestigt ist, die Sensoreinheit (1) fixiert von der Sensoreinheiten-Trägereinrichtung (15) gehaltert wird, eine optische Systemeinheit (313, 314) derart an der Basis (12) angebracht ist, daß sie gegenüber der Sensoreinheit bewegt werden kann, wobei die optische Systemeinheit (313, 314) aufweist: eine optische Einrichtung (313) für eine Lichtquelle, welche den Lichtstrahl veranlaßt, in den Lichtstrahl-Eintrittsbereich einzutreten, eine Detektoreinrichtung (330) zum Nachweisen eines gedämpften Totalreflexionswinkels θ_sp gegenüber dem von dem Lichtstrahl-Abstrahlbereich (314, 313) abgestrahlten Lichtstrahl, und die Kopplereinrichtung (10), wobei die Sensoreinheiten-Relativbewegungseinrichtung (76, 77) die optische Systemeinheit (313, 314) bewegt, und die Lichtquelle zum Erzeugen des Lichtstrahls unabhängig außen an der Basis (12) angeordnet ist.
Sensor nach Anspruch 19, ausgestattet mit einer optischen Faser zum Führen des von der Lichtquelle erzeugten Lichtstrahls zu der optischen Einrichtung für die Lichtquelle.
Sensor nach Anspruch 20, ausgestattet mit einer optischen Faser zum Führen des von der Lichtquelle erzeugten Lichtstrahls zu der optischen Einrichtung für die Lichtquelle.
Sensor nach Anspruch 21, bei dem die optische Faser eine Faser vom Polarisationsebenen-Erhaltungstyp ist.
Sensor nach Anspruch 22, bei dem die optische Faser eine Faser vom Polarisationsebenen-Erhaltungstyp ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, der weiterhin eine Anpaßflüssigkeits-Zuführeinrichtung (41–44) aufweist, die die Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit (5) in den Raum leitet, außerdem ein Leerelement, welches mit dem Raum kommuniziert und ermöglicht, daß die Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit bis zu einer Stelle eingeleitet wird, die oberhalb der anderen Fläche des transparenten Substrats (2) liegt, wobei die Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit (5) von der Anpaßflüssigkeits-Zuführeinrichtung (41–44) in den Raum gefüllt wird.
Sensor nach einem der Ansprüche 11 bis 24, bei dem ein Flüssigkeitsreservoir (12, 41) zum Speichern der Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit (5) auf der Seite der Kopplereinrichtung (10) gebildet ist, welche dem transparenten Substrat (2) gegenübersteht, das transparente Substrat (2) mit einer wasserdichten Wand (6) ausgestattet ist, die den Metallfilm (3) umgibt, und die Sensoreinheit (1) in dem Flüssigkeitsreservoir derart gelagert ist, daß die andere Fläche des transparenten Substrats (2) in die Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit (5) eingetaucht sein kann.
Sensor nach einem der Ansprüche 11 bis 26, bei dem die Kopplereinrichtung mit einem Prisma (13) ausgestattet ist und der Lichtstrahl-Eintrittsbereich sowie der Lichtstrahl-Abstrahlbereich in dem Prisma (13) ausgebildet sind.
Sensor nach einem der Ansprüche 11 bis 26, bei dem sowohl der Lichtstrahl-Eintrittsbereich als auch der Lichtstrahl-Abstrahlbereich der Kopplereinrichtung durch ein Beugungsgitter (50, 51, 54, 55, 313, 314) gebildet wird.
Sensor nach einem der Ansprüche 11 bis 26, bei dem die Kopplereinrichtung (10) mit einem konvexen Bereich (53) auf der Seite der Kopplereinrichtung (10) ausgestattet ist, welche der dem transparenten Substrat (2) zugewandten Seite abgewandt ist, sowohl die Seitenfläche des konvexen Bereichs (53, 113) als auch die andere Seitenfläche, die der einen Seitenfläche abgewandt ist, durch eine transparente Platte (6) gebildet wird, die Zone im Inneren des konvexen Bereichs (53, 113) mit der Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit (5) gefüllt ist, und die eine Seitenfläche und die andere Seitenfläche des konvexen Bereichs als Lichtstrahl-Eintrittsbereich (54, 114) bzw. als Lichtstrahl-Abstrahlbereich (55, 115) fungieren.
Sensor nach einem der Ansprüche 11 bis 29, bei dem das transparente Substrat der Sensoreinheit gebildet wird durch ein transparentes Trägersubstrat (106) und ein transparentes Hauptsubstrat (102), welches sich auf dem transparenten Trägersubstrat (106) befindet, der Metallfilm (103) sich auf dem transparenten Hauptsubstrat (102) befindet, und das transparente Trägersubstrat (106) derart angeordnet ist, daß es der Kopplereinrichtung (10) mit der dazwischen befindlichen Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit (5) gegenüberliegt.
Sensor nach einem der Ansprüche 11 bis 30, bei dem ein Bond-Reaktionsfilm sich auf dem Metallfilm (103) befindet und der Oberflächenplasmonensensor eine spezifische Substanz nachweist, die in der Lage ist, mit dem Bond-Reaktionsfilm eine bindende Reaktion einzugehen.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 30, bei dem verschiedene Arten von Bond-Reaktionsfilmen an verschiedenen Stellen auf dem Metallfilm (103) angeordnet sind, und der Sensor eine spezifische Substanz nachweist, die in der Lage ist, mit jedem der Bond-Reaktionsfilme eine Bindungsreaktion einzugehen.
Sensor nach einem der Ansprüche 11 bis 29, bei dem das transparente Substrat (102) der Sensoreinheit (101) gebildet wird durch ein transparentes Trägersubstrat (106) und mehrere transparente Hauptsubstrate (102), die sich an verschiedenen Stellen auf dem transparenten Trägersubstrat (106), Metallfilme (103) auf den mehreren transparenten Hauptsubstraten (102) angeordnet sind, und das transparente Trägersubstrat derart gelegen ist, daß es der Kopplereinrichtung (110) mit der dazwischen befindlichen Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit (5) gegenüberliegen kann.
Sensor nach Anspruch 33, bei dem die mehreren transparenten Hauptsubstrate (102) unterschiedliche Substratgrößen besitzen.
Sensor nach Anspruch 33 oder 34, bei dem auf den Metallfilmen (103), von denen jeder auf einem der transparenten Hauptsubstrate (102) angeordnet ist, Bond-Reaktionsfilme angeordnet sind, und der Sensor eine spezifische Substanz nachweist, die in der Lage ist, mit jedem der Bond-Reaktionsfilme eine Bindungsreaktion einzugehen.
Sensor nach Anspruch 35, bei dem die Bond-Reaktionsfilme unterschiedliche Arten von Reaktionsfilmen sind.
Sensor nach einem der Ansprüche 30 bis 32, bei dem das transparente Hauptsubstrat (102) und das transparente Trägersubstrat (106) in enger Berührung miteinander über die Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit (5) stehen, deren Brechungsindex in etwa so groß ist wie der vorbestimmte Brechungsindex.
Sensor nach einem der Ansprüche 33 bis 36, bei dem das transparente Trägersubstrat (106) und jedes der transparenten Hauptsubstrate (102) in enger Berührung über eine Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit (5) miteinander stehen, wobei die Flüssigkeit einen Brechungsindex aufweist, der etwa so groß ist wie der vorbestimmte Brechungsindex.
Sensor nach einem der Ansprüche 30 bis 32, bei dem das transparente Hauptsubstrat (102) lösbar an dem transparenten Trägersubstrat (106) angebracht ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 33 bis 36, bei dem das transparente Hauptsubstrat (102) lösbar an dem transparenten Trägersubstrat (106) angebracht ist.
Sensor nach Anspruch 1, umfassend: eine Lichtquelle (321) zum Erzeugen des Lichtstrahls (L), wobei der Oberflächenplasmonensensor den von der Lichtquelle (321) erzeugten Lichtstrahl kollimiert, den kollimierten Lichtstrahl dazu bringt, von dem Lichtstrahl-Eintrittsbereich (313) einzutreten, und einen gedämpften Totalreflexionswinkel θ_sp gegenüber dem Lichtstrahl nachzuweisen, der von der Grenzfläche (4) totalreflektiert und dann aus dem Lichtstrahl-Abstrahlbereich (314) abgestrahlt wurde, wobei sowohl der Lichtstrahl-Eintrittsbereich (313) als auch der Lichtstrahl-Abstrahlbereich (314) durch ein optisches Hologrammelement gebildet sind.
Sensor nach Anspruch 41, bei dem das optische Hologrammelement dazu ausgelegt ist, den einfallenden kollimierten Lichtstrahl zu einer vorbestimmten Stelle zu konvergieren, eine Lichtquellen-Bewegungseinrichtung (327) vorgesehen ist, die die Lichtquelle (321) innerhalb einer parallel zu der Grenzfläche (4) verlaufenden Ebene und in einer Richtung zu der vorbestimmten Stelle oder in einer Richtung weg von der vorbestimmten Stelle bewegt, und die Lichtquelle (321) bewegt wird, wodurch der Lichtstrahl dazu gebracht wird, aus unterschiedlichen Positionen in den Lichtstrahl-Eintrittsbereich (313) einzutreten, und dazu gebracht wird, unter verschiedenen Einfallwinkeln und an der vorbestimmten Stelle auf die Grenzfläche (4) aufzutreffen.
Sensor nach Anspruch 42, bei dem das optische Hologrammelement (313) Linsenfunktionen und Aberrations-Kompensationsfunktionen besitzt, und der Lichtstrahl von den Linsenfunktionen und den Aberrations-Kompensationsfunktionen auf die vorbestimmte Stelle konvergiert wird.
Sensor nach Anspruch 42, bei dem das optische Hologrammelement (313) Zylinderlinsenfunktionen und Aberrations-Kompensationsfunktionen besitzt, durch die der Lichtstrahl zu der vorbestimmten Stelle konvergiert wird.
Sensor nach Anspruch 44, umfassend eine Positionsreguliereinrichtung zum Regulieren der Position der Sensoreinheit (1) derart, daß ein Abstand zwischen dem transparenten Substrat (2) und der Kopplereinrichtung (10) auf einem vorbestimmten Wert gehalten werden kann, und eine Sensoreinheiten-Bewegungseinrichtung (76, 77) zum Bewegen der Sensoreinheit (1) in eine vorbestimmte Richtung, wobei der Raum zwischen dem transparenten Substrat (1) und der Kopplereinrichtung (10) mit der Brechungsindex-Anpaßflüssigkeit (5) gefüllt ist.
Sensor nach Anspruch 44 oder 45, weiterhin umfassend: eine Auftreffstellen-Verschiebungseinrichtung (326) zum Verschieben der Auftreffstelle des Lichtstrahls an dem Lichtstrahl-Eintrittsbereich (313) derart, daß der Lichtstrahl sukzessive auf unterschiedliche Stellen der Grenzfläche (4) auftreffen kann, die entlang der gleichen Richtung wie die axiale Richtung der Zylinderlinsenfunktionen angeordnet sind.