[go: up one dir, main page]

EP2044420A2 - Analytical system comprising an arrangement for temporally variable spatial light modulation and detection method implemented thereby - Google Patents

Analytical system comprising an arrangement for temporally variable spatial light modulation and detection method implemented thereby

Info

Publication number
EP2044420A2
EP2044420A2 EP07805169A EP07805169A EP2044420A2 EP 2044420 A2 EP2044420 A2 EP 2044420A2 EP 07805169 A EP07805169 A EP 07805169A EP 07805169 A EP07805169 A EP 07805169A EP 2044420 A2 EP2044420 A2 EP 2044420A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
light
sensor platform
illumination
optical
analytical system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
EP07805169A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Max Wiki
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP2044420A2 publication Critical patent/EP2044420A2/en
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/75Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
    • G01N21/77Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
    • G01N21/7703Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator using reagent-clad optical fibres or optical waveguides
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/251Colorimeters; Construction thereof
    • G01N21/253Colorimeters; Construction thereof for batch operation, i.e. multisample apparatus
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/55Specular reflectivity
    • G01N21/552Attenuated total reflection
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00Microscopes
    • G02B21/06Means for illuminating specimens
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00Microscopes
    • G02B21/34Microscope slides, e.g. mounting specimens on microscope slides

Definitions

  • the present invention relates to an analytical system and method to be carried out therewith for the generation and measurement of optical signals from measuring areas, which are arranged in a one- or two-dimensional array on a solid support as a measuring platform, which is referred to below as a sensor platform.
  • a sensor platform Such an analytical system and method is useful, for example, for analyzing samples for biological, biochemical or synthetically produced substances contained therein as analytes.
  • the invention relates to such a system and method which is suitable for simultaneously examining a single sample for a plurality of analytes and / or a plurality of samples for one or more analytes on a common sensor platform.
  • the analytical system according to the invention is suitable for refractive measurement methods.
  • microarrays For the simultaneous determination of a large number of analytes, numerous embodiments of so-called “microarrays” have become known in recent years in which a multiplicity of different biological or biochemical or synthetic recognition elements, for the specific recognition and binding of the analytes to be detected, in discrete measurement ranges, also as “ Spots ", are immobilized.
  • the analyte detection is based on the detection of optical signals, for example of luminescence or luminescence changes luminescent molecules which are linked to the analyte itself or one of its binding partners which bind to the respective recognition elements in one or more binding assay steps in the measurement regions.
  • Such microarrays in which the analytes to be detected from a sample brought together with the array, bind to their recognition elements immobilized in the spots, after they have been recognized by these and “captured”, are also referred to as “capture arrays”.
  • the spatial resolution of the detection step should be one or two-dimensional. This is usually, for the simultaneous detection of the signals from a variety of measuring ranges, by the use of appropriate spatially resolving detectors (eg Line detectors for one-dimensional spatial resolution or cameras for two-dimensional spatial resolution) achieved.
  • appropriate spatially resolving detectors eg Line detectors for one-dimensional spatial resolution or cameras for two-dimensional spatial resolution
  • arrays of very high feature density i.e., number of discrete measurement areas per unit area
  • U.S. Patent No. 5,445,934 describes and claims arrays of oligonucleotides having a density of greater than 1000 features per square centimeter.
  • the excitation and readout of such arrays is based on classical optical arrangements and methods. The entire array can be illuminated simultaneously with an expanded excitation light beam, but this leads to a relatively low sensitivity, since the scattered light component is relatively large and scattered light or background fluorescent light is generated from the glass substrate even in those areas in which no binding of the analyte immobilized recognition elements are located.
  • the refractive measurement methods are also referred to as "marker-free”("label-free”) methods, which have the advantage that they do not “label” or link the compounds to be detected with a molecular group to be used specifically for the detection step
  • the signals to be detected and their changes may be due, for example, to near field effects, which lead to a surface-bound signal amplification (see below).
  • Evanescent field sensor platforms are often used to improve sensitivity, i.
  • Such measuring platforms on whose surface facing the sample to be examined an evanescent field, also referred to as transversely attenuated field, can be generated, which limits the interaction of the analyte and / or the sample excitation or measurement light on the penetration depth of this evanescent field in an adjacent Medium on the order of a fraction of the wavelength of the excitation or measuring light used allows.
  • a spatially highly selective excitation of molecules or interaction with molecules within the penetration depth of this field in the adjacent media is possible, while at the same time interference signals from areas beyond this penetration depth can be avoided.
  • An evanescent field is produced, for example, by total reflection of a light beam propagating in a medium (eg, a prism or a self-sustaining optical waveguide such as a glass plate) having a higher refractive index than that of the surrounding medium at the interface of this higher refractive index medium to the low refractive medium.
  • a medium eg, a prism or a self-sustaining optical waveguide such as a glass plate
  • the evanescent field is in each case discrete locations of total reflections produced at the interfaces to the low-refractive medium.
  • optical waveguides are optical thin-film waveguides, in particular planar optical
  • Thin-film waveguides are known, which are in the simplest case a three-layer system: carrier material (often referred to as "substrate”), waveguiding layer, superstrate (or sample to be examined), wherein the waveguiding layer has the highest refractive index
  • carrier material often referred to as "substrate”
  • waveguiding layer waveguiding layer
  • superstrate or sample to be examined
  • the strength of the evanescent field is very much dependent on the thickness of the waveguiding layer itself and on the ratio of the refractive indices of the waveguiding layer and the surrounding media, for thin waveguides, ie layer thicknesses of the same or lower thickness as the wavelength to be guided, discrete modes of the guided light can be discriminated.
  • Evanescent fields can also be generated by means of so-called “resonant lattice structures.”
  • Resonant lattice structures like planar optical waveguides, have a structuring (stratification) with materials of different refractive indices in the direction perpendicular to the plane of the substantially planar substrate, with at least one of them on the substrate
  • resonant lattice structures have a one-dimensional or two-dimensional, mostly Periodic structuring of the (effective) refractive index, generated using the same or different materials, in the plane of the at least one higher refractive index layer parallel to the substrate plane.
  • a resonant grid structure may have a structuring with materials of different refractive indices, as in the direction perpendicular to the substrate plane, also in the plane parallel thereto.
  • Resonant grating structures are known from the literature and are described, for example, in US Pat. No. 5,598,300 and in patent application US 2004/0130787.
  • resonant mirrors which essentially comprise a three-layer system: a high refractive prism with a lower refractive index layer deposited thereon beneath another high refractive index layer thereon , Under operating conditions, light incident on the prism is totally reflected at its surface. The resulting in this total reflection at the surface of the prism evanescent field extends into the layer with low refractive index, and due to the small thickness of the low-refractive layer, it also extends into the high refractive second layer.
  • the second high-index layer acts like a waveguide.
  • the effective refractive index of this waveguide is determined by the optical parameters of the layer system (essentially refractive indices and layer thicknesses) and a coating optionally located on the surface of the evanescent field sensor platform (eg with an adhesion-promoting layer or layer) with specific recognition elements for analyte detection) and of the surrounding medium.
  • the propagation velocity of the evanescent field of the prism coincides with the propagation velocity of the light in the waveguide, part of the evanescent field of the prism becomes the waveguide coupled.
  • the propagation velocity of the evanescent field of the primate can be influenced, for example, by changing the angle of incidence or by changing the wavelength.
  • the prism-side evanescent field of the waveguide in turn extends into the low-refractive layer and beyond into the high refractive prism.
  • light guided in the waveguide is decoupled again into the prism and can be directed from there to a detection unit.
  • This "resonant mirror" technology is more fully described, for example, in US Pat. No.
  • evanescent field sensor platforms are suitable to solve the problems of providing improved sensitivity, ie. H. lower detection limits for analyte detection, and to solve a higher accuracy.
  • sensitivity ie. H. lower detection limits for analyte detection
  • detection methods for the measurement of the largest possible number of signals from a plurality of discrete measurement ranges within the shortest possible time.
  • Measuring arrangements with simultaneous more or less large area Illumination of a multiplicity of measuring ranges on a sensor platform for example for recording luminescence or fluorescence signals from microarrays on a thin-film waveguide as sensor platform from the international application WO 02/21110 or signals of a large-area grating coupler sensor (likewise based on a thin-film waveguide; Explanation see later) from international application WO 01/88511.
  • These arrangements make it possible to record signals from a plurality of measuring ranges within a relatively short measuring time determined by the duration of the illumination.
  • an analytical system for generating and measuring optical signals and / or their changes from measuring ranges, which are arranged in a one- or two-dimensional array on a substantially optically transparent sensor platform, at least comprising - an optical system with an illumination system for illuminating measuring areas on the sensor platform and a detection system having at least one detection unit for detecting signals from the measuring areas on the sensor platform, in the direction of the transmission or reflection of the Illuminating light in a spectral region which comprises the spectral region of the illumination light, and a sensor platform which can be inserted into the optical system and has measuring regions arranged thereon in a one- or two-dimensional array, characterized in that the illumination system is an arrangement which can be rapidly changed over time, referred to as "SLM" Spatial light modulation includes, with the operating state of an entering into this SLM illumination light, with substantially homogeneous intensity distribution in the cross section of the illumination light perpendicular to its propagation direction, illumination patterns freely selectable and quickly changeable, can
  • rapidly variable spatial light modulation and “rapid change” of the illumination pattern is to be understood that these changes take place with a frequency greater than 1 Hz, preferably greater than 1 kHz, more preferably greater than 1 MHz.
  • Sensor platform makes it possible to selectively illuminate measuring areas in any arrangement and geometry on the sensor platform and to selectively shade areas between the measuring areas, so that the generation of interfering scattered or interfering signals from these neighboring areas can be avoided. It can do that
  • Illumination patterns are changed at high speed. This advantageously allows an extremely fast optical "scanning" of the entire surface of the sensor platform with limitation of the signal excitation to the measuring areas themselves and detection of the signals from a plurality of measuring ranges, while avoiding the aforementioned disadvantages of scanning arrangements and methods.
  • the analytical system according to the invention has further significant advantages:
  • the mechanical tolerances of the receiving device of the analytical system for a sensor platform to be introduced can be relatively generously dimensioned, since variations in the dimensions or the positioning of a sensor platform to be inserted can be compensated by adjustments of the illumination pattern. This can further the requirements for the tolerances of the dimensions of
  • Measuring ranges allow a high spatial resolution of the signal generation and thus signal detection and various forms of sub-sampling.
  • diffractive optical elements which often produce a rigid, unchangeable illumination pattern, can be dispensed with in the beam paths. In particular, their otherwise required change or exchange in case of changes the light source or the mentioned geometric characteristics of the sensor platform can be avoided.
  • the rapid variability of the generated illumination pattern allows its adaptation to dynamic processes (eg the growth or contraction of biological cells.
  • Different measuring ranges can have any, different, independent form.
  • a further subject of the present invention is a method for generating and measuring optical signals and / or their changes from measuring ranges, which are arranged in a one- or two-dimensional array on a substantially optically transparent sensor platform, using an analytical system according to one of hereinafter described embodiments, at least comprising
  • Measuring ranges characterized in that in the operating state from an entering into this SLM illuminating light, with substantially homogeneous intensity distribution in the cross section of the illumination light perpendicular to its propagation direction, illumination patterns freely selectable and quickly changeable, can be determined by the settings of the SLM geometry on the sensor platform can be generated.
  • optical signals and / or their changes are generated from measuring ranges by one or more binding or Adsorptionsereignisse between one or more analytes in one or more samples and specific recognition elements for said analytes in or on said measurement areas, wherein the samples and the recognition elements for the analytes to be detected in the samples are brought into contact with each other on the measurement areas, and that from these optical signals and / or their changes a simultaneous qualitative and / or quantitative detection a plurality of analytes in one or more samples and / or one or more analytes in a plurality of samples.
  • the optical signals and / or their changes are generated from measuring ranges by one or more binding or Adsorptionsereignisse between one or more analytes in one or more samples and specific recognition elements for said analytes in or on said measurement areas, wherein the samples and the recognition elements for the analytes to be detected in the samples are brought into contact with each other on the measurement areas, and that from these optical signals and / or their changes a simultaneous qualitative and
  • FIG. 1 schematically shows a first embodiment of an analytical system according to the invention, in which the illumination system 1 and the detection system 3 are arranged on the same side with respect to the sensor platform 2.
  • FIG. 2 shows a preferred embodiment of an analytical system according to the invention with a sensor platform 2 designed as a microtiter plate, a beam splitter 9.1 and approximately vertical telecentric illumination of the sensor platform 2, and detection of the light emanating from the sensor platform in the direction of reflection of the illumination light.
  • FIG. 3 shows an embodiment of an analytical system according to the invention similar to FIG. 2, except for the beam splitter with respect to the electro-optical components used, but with illumination of the illumination light and detection of the light emanating from the sensor platform 2 at a deviating from the perpendicular, i. oblique angle.
  • FIG. 4 schematically shows an embodiment of an analytical system according to the invention, in which the illumination and the detection system are arranged on opposite sides with respect to the sensor platform and the detection takes place in the direction of the transmitted light.
  • FIG. 5 shows a preferred embodiment of an analytical system according to the invention with a sensor platform 2 designed as a microtiter plate, a beam splitter 9.1 and approximately vertical illumination of the sensor platform 2 and detection of the sensor platform outgoing light in the direction of the reflection of the illumination light by means of a spectrometer 11.1 as a light analysis unit.
  • FIG. 6 shows a preferred embodiment of an analytical system according to the invention with a microtiter plate
  • Sensor platform 2 a beam splitter 9.1 and approximately vertical illumination of the sensor platform 2 and detection of the emanating from the sensor platform light in the direction of reflection of the illumination light for different polarizations using two spectrometers 11.1 as light analysis units.
  • FIG. 7 shows an embodiment of an analytical system according to the invention of similar construction to that of FIG. 2 with a sensor platform 2 which is designed as a prism for generating total internal reflection or as a "resonant mirror".
  • FIG. 8 shows an embodiment of an analytical system according to the invention similar to that of FIG. 2, but with detection of the light emanating from the sensor platform 2 in the transmission direction.
  • FIG. 9 shows, using the example of a microtiter plate as sensor platform, possible variations of the illumination pattern that can be generated on the sensor platform by means of a spatial light modulator SLM a) with illumination of a single well of the microtiter plate, marked “S” and surrounded by a hatched square b) simultaneous illumination (FIG. marked by hatched cross) of four surrounding wells (labeled "R").
  • SLM a spatial light modulator
  • FIG. 10 shows further illumination patterns with different geometries that can be generated on the sensor platform: a) Illumination of measurement areas in a hexagonal pattern; b) Illumination pattern off concentric circular rings; c) a lighting pattern with any irregular geometry, such as the targeted illumination of located on the sensor platform biological cells may correspond.
  • FIG. 11 shows the emission spectrum of a projection system used for examples 1 and 2 with three light-emitting diodes (LEDs) as light sources, with central emission wavelengths 460 nm (blue), 520 nm (green) and 627 nm (red), the spectral emission width of the LEDs each 20 nm to 40 nm.
  • LEDs light-emitting diodes
  • FIG. 12 shows, for four differently set angles of incidence 6.3, 6.4, 6.5 and 6.6 of the illumination light on the sensor platform, the spectra of the TE-poled illumination light of the red LED from FIG. 11 taken in transmission.
  • FIG. 13 shows, for two differently set angles of incidence 6.1 and 6.2 of the illumination light on the sensor platform, the spectra of the TM-polarized illumination light of the red LED from FIG. 11 recorded in transmission.
  • FIG. 14 shows, for a single set angle of incidence of the illumination light on the sensor platform, the spectrum of the TM-polarized illumination light of the red LED from FIG. 11 recorded in the reflection direction.
  • measuring ranges are to be defined in each case by the closed surface which is located on a sensor platform for Detection of a single measured variable is identified, that is used to generate a single signal value.
  • the sensor platform can be designed as a microtiter plate, with a multiplicity of cavities (wells) arranged in the form of a matrix, and a thin-film waveguide with gratings structured therein as a bottom.
  • the bottom surface of a single well can then represent a measuring range on which the refractive index of a liquid introduced into the well is determined by a refractive measurement.
  • the bottom surface of a single well may also serve to detect a plurality of readings for simultaneously detecting a plurality of analytes in a sample filled into a single well.
  • measurement areas should then be defined by the closed areas which contain immobilized compounds to be detected or specific binding partners immobilized there, for the detection of one or more analytes in one or more samples in a bioaffinity assay.
  • These surfaces can have any geometry, for example the shape of circles, rectangles, triangles, ellipses, etc.
  • the measuring ranges are a plurality of measuring ranges. Particularly preferred are discrete, laterally or spatially separated measuring ranges.
  • the sensor platform in a one- or two-dimensional arrangement comprises more than 50, more preferably more than 500, most preferably more than 50,000 measuring ranges.
  • an adhesion-promoting layer is applied to the surface of the sensor platform to be used for generating the signal.
  • This adhesion-promoting layer should be optically transparent. Particularly in the case of evanescent field sensor platforms (see below), it is preferred that the adhesion-promoting layer does not project beyond the penetration depth of the evanescent field out of the high-index layer of the sensor platform into the medium adjacent thereto. Therefore, the primer layer should have a thickness of less than 200 nm, preferably less than 20 nm. It may comprise, for example, chemical compounds from the group of silanes, epoxides, functionalized, charged or polar polymers, and "self-assembled functionalized monomers.”
  • Compounds or specific binding partners to be immobilized on a sensor platform are preferably selected from the group consisting of nucleic acids (for example DNA, RNA, oligonucleotides), nucleic acid analogs (eg PNA), Antibodies, aptamers, membrane-bound and isolated receptors whose ligands, antigens for antibodies, "histidine tag components", etc. is formed. It is also possible to immobilize entire biological cells or components thereof on a sensor platform. A single measurement area on a sensor platform may contain a single type of compound, for example, to detect a single analyte in a sample to be delivered.
  • nucleic acids for example DNA, RNA, oligonucleotides
  • nucleic acid analogs eg PNA
  • Antibodies aptamers
  • membrane-bound and isolated receptors whose ligands, antigens for antibodies, "histidine tag components", etc. is formed. It is also possible to immobilize entire biological cells or components thereof on a
  • a single measurement range can also contain a large number of different compounds. This is the case in the case of “reverse arrays” in which a single measuring range is formed in each case by the closed surface on the sensor platform, which occupies a sample immobilized there with a plurality of different compounds contained therein and to be detected as analytes.
  • the sensor platform should be substantially optically transparent at least at the wavelength of the illumination light.
  • essentially optically transparent as a property of the sensor platform, which can consist of different layers, for example, it should be understood that light of the wavelength of the illumination light when propagating in the volume of the material or a layer material of the sensor platform over a distance of 5 mm, a weakening by absorption of not more than 80%, preferably not more than 50%, more preferably not more than 20%, propagation losses due to interfacial scattering, for example in light conduction in a sheet waveguide due to surface roughness or surface structuring such as a diffractive surface relief grating are not taken into account in this definition of "substantially optical transparency", even if they should even prevent the further propagation of light.
  • the aforementioned requirement for the "essentially optical transparency" of the sensor platform includes, for example, coatings with absorbing metals such as gold or silver, as they do
  • coatings with absorbing metals such as gold or silver
  • the material of the sensor platform preferably comprises in a single-layer or multi-layer system a material from the group which is formed by substantially optically transparent glasses, plastics and ceramics, wherein layers of these materials may optionally be provided with additional coatings.
  • the side of the sensor platform on which the discrete measurement areas are created is substantially planar.
  • "essentially planar” should be understood to mean that the radius of curvature of the surface of this side is greater than 10 cm in the region of the measuring ranges.
  • an embodiment of a sensor platform in the form of a microtiter plate, with the bottom surfaces of the wells as measuring regions is also considered to be “substantially planar", since the above definition is fulfilled for the range of these measuring ranges.
  • Sensor platform in the range of the measuring ranges is less than 0.2 mm. Furthermore, it is preferred that the roughness of the surface of the sensor platform comprising the measurement areas is less than 20 nm, more preferably less than 2 nm, most preferably less than 1 nm in the region of the measurement areas.
  • the preference for surface roughness applies in particular to embodiments designed as evanescent field sensor platforms (see below) in order to minimize propagation losses of light due to scattering at the surface provided with the measurement areas.
  • Intentionally performed surface structuring, such as diffractive surface relief gratings or other deliberately applied Surface structures should not be taken into account in this preference with regard to the "surface roughness" and their definition.
  • a preferred embodiment of the analytical system according to the invention is characterized in that the sensor platform is designed as an evanescent field sensor platform.
  • the sensor platform is selected from the
  • the carrier material of the waveguiding layer or the layer adjacent to the waveguiding layer in the direction of the side of the waveguiding layer which faces away from the measuring regions has the lowest possible Refractive index has, since this is favorably influenced the propagation of the evanescent field in the direction of the measuring regions on the opposite side of the waveguiding layer:
  • the refractive index of the carrier material or the layer adjacent to the waveguiding layer in the direction of the side of the waveguiding layer which faces away from the measuring regions is less than 1.6, particularly preferably less than 1.5, very particularly preferably less than 1.4.
  • thermoplastic materials such as polyvinylidene fluoride, polymethylpentene, cycloolefin copolymers (COC) or cycloolefin polymers (COP) and mixtures of polyvinylidene fluorides and polymethylmethacrylates are suitable for this purpose, for example.
  • fluoroplymers such as fluoroacrylate having a refractive index of less than 1.4 are known.
  • the waveguiding layer has the highest possible refractive index, preferably higher than 1.8, particularly preferably higher than 2.0.
  • materials of the waveguiding layer metal oxides such as TiO 2 , Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 , ZnO, HfO 2 , ZrO 2 , TiO 2 -SiO 2 , Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , HfON, SiON are particularly good suitable.
  • the change in the so-called effective refractive index due to changes in mass occupancy due to molecular adsorption or desorption on the sensor platform or Changes in the macroscopic refractive index of a surrounding medium used in the evanescent field of the sensor platform for an analyte detection is dependent on the macroscopic refractive index of the high-refractive, waveguiding layer and its thickness, the refractive indices and layer thicknesses of adjacent layers or media, and on the mode order of the light to be coupled via the grating into the waveguiding layer, the polarization (eg transversally electrical (eg. TE) or transverse magnetic (TM) polarization) as well as the wavelength of an irradiated illumination light.
  • polarization eg transversally electrical (eg. TE) or transverse magnetic (TM) polarization
  • the changes in the effective index of refraction, at a constant wavelength of incident illuminating light, result in changes in the resonance angle with respect to the surface normal of the sensor platform for light coupling in or out of a grating coupler sensor platform.
  • These changes in resonance angles are determinable from the signals and their changes provided by the detection system (comprising one or more detectors) of the analytical system according to the invention.
  • the detection system comprising one or more detectors of the analytical system according to the invention.
  • changes in the resonance wavelength for the light coupling in or out of the corresponding detector signals with a polychromatic spectrum of the illumination light being variable or over a certain spectral range (eg of the order of 1 to 20 nm), become apparent a grating coupler sensor platform determined.
  • the lattice structures are first produced as surface structures in a surface of the substrate, whereupon in a subsequent step, directly or on optional intermediate layers, at least one dielectric layer with preferably higher refractive index than the substrate and controlled layer thickness (of for example 50 nm to 500 nm) is applied and typically, the structure created on the substrate transmits to the surface of this dielectric layer in the deposition step.
  • Resonant Mirror sensor platforms are fabricated by depositing dielectric layers of different refractive index and well-defined layer thickness on at least the wavelength of the illumination light in substantially optically transparent substrates.
  • the sensor platform has the basic dimensions of a microtiter plate according to SBS standard (about 85.5 mm x 127.8 mm) or is formed as part of a microtiter plate. This includes that the sensor platform itself can be a microtiter plate.
  • SBS standard about 85.5 mm x 127.8 mm
  • the sensor platform itself can be a microtiter plate.
  • the sensor platform as a microtiter plate
  • it may comprise 96, 384 or 1536 sample containers or "wells" according to standard industrial manufacturing.
  • Light modulation is preferred to be selected from the group of “Digital Mirror Devices” DMD, Liquid Crystal Displays LCD, “Liquid Cristal on Silicon Silicon” LCOS microdisplays, and mechanically movable masks with light transmissive and light blocking regions.
  • the arrangement for temporally variable spatial light modulation comprises a plurality of discretely for the transmission to the sensor platform or blockade of the illumination light switchable individual elements in a one- or two-dimensional arrangement. It is preferred that at least one of these individual elements corresponds to a measuring range. It is particularly preferred that a measuring range is illuminated by a plurality of these individual elements.
  • the illumination pattern can be better and more easily approximated to the exact shape of the measurement areas, such as rectangles, triangles, circles, hexagonal shapes, or any shapes, such as those found in cell measurement, and illumination of Areas that do not belong to the measurement areas, are largely avoided, resulting in an improved signal-to-noise ratio.
  • the arrangement for temporally variable spatial light modulation comprises a plurality discrete for the forwarding to the sensor platform or blockade of the illumination light switchable individual elements in a two-dimensional arrangement. Preferably, this involves more than 100 ⁇ 100 discretely switchable individual elements in a two-dimensional arrangement.
  • the illumination pattern generated by the temporally variable spatial light modulation arrangement comprises a plurality of illuminated or shadowed areas in the cross section of the illumination light beam path and on the sensor platform, which are also referred to as "illumination light pixels" below.
  • a single element of the temporally variable spatial light modulation arrangement has a switching time of less than 20 msec for switching between positions or settings for forwarding to the sensor platform or blocking the illumination light.
  • the arrangement for temporally rapidly variable spatial light modulation enables the generation of rapidly variable illumination patterns on the sensor platform, whereby temporally in their geometry changing objects than in their geometry time-varying measuring ranges the sensor platform can be specifically illuminated and light emanating from these objects can be detected.
  • the illumination system of the analytical system according to the invention may be one or more polychromatic or substantially comprise monochromatic light sources. It should be understood by a "substantially monochromatic" light source such a light source whose spectral emission width is less than 5 nm.
  • the one or more polychromatic or substantially monochromatic light sources may be selected from the group of lasers, vertical cavity surface emitting lasers VCSEL, edge emitting laser diodes, superluminescent diodes SLD, LED light emitting diodes, organic light emitting diodes (OLED), gas discharge lamps and incandescent lamps.
  • the illumination system in the optical beam path before entry of the illumination light into the arrangement for temporally variable spatial light modulation comprises optical or electro-optical components for producing a uniform over the illumination cross-section intensity distribution of the illumination light
  • these components are preferably selected from the group of optical projection systems , Microlens arrays, "light tunnels” and “light bars” or large-area emitting light sources with a variety of single light sources such as LEDs or OLEDs of different or the same emission wavelength, the total emission is formed using diffractive or refractive components to a homogeneous light distribution.
  • Arrangements of large area homogeneous illumination systems with liquid crystal displays can also be used.
  • the light of a rod-shaped light source is coupled into a planar light guide, in which the light is guided within the light guide by total internal reflection.
  • diffractive structures are applied, which selectively direct a portion of the light from the light guide.
  • Surface of the light guide As a nearly homogeneous light source.
  • the light intensity of the homogeneous illumination can be spatially modulated. Such an arrangement is described, for example, in US Pat. No. 6,976,779.
  • Light bars” or “light tunnels” such as LightTunnel TM (Unaxis, Balzers, Liechtenstein), are used in commercially available projection systems and are based on the following functional principle:
  • the light from one or more light sources is placed in one end of the "light tunnel” or “light bar” designated and designed as a hollow body, preferably cuboid or cylindrical optical component focused whose optical insides are mirrored.
  • light bars preferably cuboid or cylindrical body, which comprise a transparent material - usually glass or plastic - and in which light conduction by total internal reflection (TIR) occurs.
  • TIR total internal reflection
  • Telescopic lenses as described, for example, in US Pat. No. 6,324,016 (see FIGS. 1-6), enable the elimination of perspective perturbations and improved imaging of objects located outside the optical axis of an optical system.
  • the optical system includes provisions for corrections to compensate for oblique incidence of light after Scheimpflug, as described for example in standard textbooks for photography.
  • the detection system of the analytical system may comprise one or more detection units from the group of photodiodes, photomultipliers, avalanche diodes, CMOS arrays and CCD cameras.
  • the detection system comprises one or more spectrally splitting electro-optical components for a spectrally selective detection of the light emanating from the measurement areas.
  • spectrally selective detection of the light emanating from the measurement areas may, for example, be spectrometers, spectrally selective optical filters such as short or long-pass filters, broadband optical filters or so-called notch filters adapted to laser emission lines.
  • the illumination system and / or the detection system comprise polarization-selective components in the beam path. It is particularly advantageous if the polarization-selective components allow the distinction between transversely electric (TE) and transverse magnetic (TM) polarized light, which emanates from the measuring ranges on the sensor platform.
  • preferred embodiments of an analytical system according to the invention are those which are characterized in that the refractive index and / or the thickness of an adsorbed layer or its changes in or on the measurement areas on the sensor platform can be determined from the signals of the one or more detectors and their changes are. This may be, for example, the macroscopic refractive index of a liquid brought into contact with one or more measurement areas or its changes.
  • the light detected by the detection system be analyzed, wherein preferably the intensity or the intensity pattern is evaluated.
  • the measured signal can be evaluated by a variety of methods known to those skilled in the art, as described, for example, in US Pat. No. 4,815,843 (column 6, last section, etc.). However, methods whose evaluation method and thus determined results are almost or even completely unaffected by the absolutely measured intensities on the detector are particularly preferred. In US 6429022 ( Figure 12), an example is given of how any measured intensity pattern can be used. From this, a preferred embodiment of a method according to the invention for generating and measuring optical signals and / or their changes is derived, which is characterized in that with the aid of the detection system with at least one
  • Detection unit a brightness distribution of the signals is measured, and that this brightness distribution is analyzed independently of measured absolute signal intensities (see also in a subsequent later in this description section).
  • the sought measured variable for example the position of a resonance curve
  • the method preferred in the analysis hardly or not at all Intensity, but by a nearly or completely intensity-independent method can be determined, such as in the methods described below for determining the position of the resonance curve.
  • a preferred method for determining the change in the position of the resonance is based on measuring the intensity on the flanks of the resonance curve. Using the first derivative of the resonance curve, the change in the position of the resonance curve can be calculated from the change in the intensity of the detected light. From the change in the position of the resonance curve, it is then possible, for example, to determine and calculate the change in the effective refractive index, as described, for example, in the prior art for the use of grating coupler sensor platforms.
  • Another preferred method for determining the change in the position of a resonance curve is based on the determination of the center of gravity of the measured resonance curve, which allows unambiguous conclusions about the position of the resonance curve. With a small change in the resonance position, the center of gravity changes accordingly.
  • Another preferred method for determining the position of a resonance curve is based on the use of a model curve, such as a Lorentz or Gaussian curve.
  • a model curve such as a Lorentz or Gaussian curve.
  • numeric Method is adapted the model curve to the measured curve, which is also known as 'numeric fitting'.
  • Commercial software for fitting model curves is offered, for example, by OriginLab (Northampton, MA 01060, USA). From the position of the model curve, the sought position of the measured resonance curve can be determined.
  • Such embodiments of an analytical system according to the invention for example evanescent field sensor platforms, which make it possible to determine from the signals of the one or more detectors and / or their changes the effective refractive index and / or its changes in or on the measurement areas on the sensor platform are.
  • a possible embodiment is characterized in that from the signals of the one or more detectors and their changes, the resonance angle for coupling illumination light into a thin-film waveguide via a grid structured therein and / or changes such a resonance angle with respect to the surface normal of the sensor platform, with constant einstrahlter Wavelength of the illumination light, can be determined.
  • Another possible embodiment is characterized in that from the signals of the one or more detectors and their changes the resonant wavelength for coupling illumination light into a thin film waveguide over a grid structured therein and / or changes such a resonant wavelength, with constant irradiation angle of the illumination light with respect to the surface normal the sensor platform, are determinable.
  • the irradiation of the illumination light and detection of the light emanating from the measurement areas can take place from opposite sides, relative to the surface of the sensor platform with the measurement areas located thereon.
  • the irradiation of the illumination light and the detection of the light emanating from the measurement areas take place on the same side of said surface.
  • the angle of incidence of the illumination light on the sensor platform can be in the range of -90 ° to + 90 ° (+ 90 ° and -90 ° where "parallel to the surface of the sensor platform"), with the angle range between -60 ° and + 60 ° is preferred.
  • the illumination light may be polarized, for example transversely electrically (TE) or transversely magnetically (TM) polarized.
  • TE transversely electrically
  • TM transversely magnetically
  • an angle of incidence near the Brewster angle for the light entrance of the illumination light into the sensor platform on its surface side facing away from the measurement areas is particularly preferred since no Fresnel reflections from this interface of the sensor platform occur at this angle of incidence.
  • the illumination system 1 of the invention consists of a lighting unit 8, which comprises a light source and an arrangement referred to as "SLM" for temporally fast variable spatial light modulation, and an illumination optical system 9.
  • the illumination light 4 is according to this representation at an angle of incidence 6 of about 45 ° to the surface normal of
  • the measuring areas (not shown) are located on the upper, opposite side surface of the sensor platform 2 with the curved arrows 12 and 12 'is supplied to the measuring areas and after interaction
  • the detection angle 7 for detecting the light emanating from the sensor platform 2 or the measuring areas arranged thereon is equal to the reflection angle, that is about 45 ° in this case, chosen.
  • the detection system 3 comprises a light collection optics 10, for example one or more collection lenses, and a detection unit 11.
  • Detection system is not arranged in reflection, but in the transmission direction is shown in Figure 4.
  • FIG. 2 shows a preferred embodiment of an analytical system according to the invention.
  • the illumination unit 8 comprises a light source 8.1, an electro-optical unit 8.2 for generating a homogeneous over the illumination cross-section intensity distribution of the illumination light.
  • the electro-optical unit 8.2 preferably also comprises a telecentric optical imaging system.
  • the homogenized in its intensity over the illumination cross section light is in the illumination beam path subsequently via a deflection mirror 8.3, in order to allow a compact design, directed in the designated as SLM arrangement 8.4 for temporally variable spatial light modulation.
  • the use of "Digital Mirror Devices" DMD is advantageous for many applications because the polarization properties of the light are hardly affected by the mirror surface In the configuration of Figure 2, for example, a DMD from Texas Instruments Inc.
  • the approximately 13 ⁇ m x 13 ⁇ m micromirrors of this DMD can be individually switched between + 12 ° and -12 ° in their position, with a speed of up to 16300 frames / sec with a DMD of 1024 x 768 pixels (individual mirrors) can be achieved.
  • an optical module consisting of prisms (referred to as "TIR prism") may be used to pass the light toward the illumination optics 9 (ON state of the illuminating light pixel) or TIR, which passes through the DMD as SML and an optional additional TIR-phsma, is further directed onto the sensor platform 2 by the illumination optics 9.
  • the illumination optics 9 provide telecenter optical components which allow good control of the angle of incidence on the sensor platform 2 and the numerical aperture of the illuminating beam 10.
  • Telecentric illumination optics may include lens systems or mirrors as described in US Patent 6,324,016.
  • the sensor platform can be illuminated at an angle of incidence of 0 °, ie parallel to the surface normal of the substantially planar sensor platform.
  • additional provisions for corrections may be made Compensation of the oblique incidence of light after Scheimpflug be provided in the illumination beam path.
  • filters such as polarization filters, spatial filters and spectral filters in the illumination beam path and / or in the detection beam path can additionally be used. Simultaneous use of two different polarizations (TE and TM polarization) allows additional information to be obtained, as first described in US Pat. No. 4,815,843 and later also in US Pat. No. 5,442,169 and in the application US 2005/0070027.
  • the measured optical spectrum can be analyzed by calculating the expected spectrum for different polarizations with the aid of mathematical models and comparing them with the measured spectrum, which assigns the characteristic properties of the measured spectrum, such as " Peaks ", allowing for different polarizations.
  • the polarizations can also be detected separately using polarizing components, such as
  • Polarizers or polarizing beam splitters in the lighting system and / or detection system.
  • Figure 6 illustrates the possibility of separating s- and p-polarized light by a polarizing beam splitter and then coupling the polarized light into optical fibers for subsequent separate detection of the spectra of the TE and TM polarized light.
  • a measuring arrangement according to FIG. 8 from the US Pat. No. 4,815,843 is used, which is hereby introduced together with the associated part of the description as part of the present application.
  • a combination of a light collecting optics 10 and a detection unit 11 is preferably used, as in the most general form in FIG. 1 for the detection in the direction rectified for reflection and in FIG. 4 for the detection in the transmission direction in FIG represented in the most general form.
  • a beam splitter 9.1 is preferably used to separate the incident illumination light from the light emanating from the sensor platform and to illuminate the illumination light below the appropriate one
  • the detection unit 11 comprises a spectrometer, in which the collected light emanating from the sensor platform 2 can be spectrally analyzed.
  • the angular distribution of the light to be detected by the light-collecting optics 10 and emanating from the sensor platform 2 can be determined by a suitable choice of the optical properties, for example the numerical aperture Light collecting optics 10, modified and fixed.
  • the numerical aperture Light collecting optics 10 modified and fixed.
  • narrow angular ranges, ie small aperture angles of the light cones, which are formed by the light emanating from the sensor platform 2 are preferred.
  • light bundles with a narrow aperture angle can be optimally coupled into an optical fiber by the light beam is focused on an end face of the fiber, which at a distance from the focal length of the light-collecting optics 10, ie z.
  • a converging lens is arranged.
  • the spectral properties of the light emanating from the sensor platform can be used to obtain information about the surface condition, in particular the surface coverage, of the sensor platform and thus also information about chemical, biochemical or biological processes, in particular binding or adsorption or desorption processes on the surface of the sensor Sensor platform, to get.
  • the evaluation techniques and mathematical models required for this purpose are disclosed in the aforementioned patents and patent applications and known to the person skilled in the art also from his general knowledge and relevant textbooks.
  • Known mathematical models are, for example, the "Rigorous Coupled Wave Analysis” (RCWA), which is often referred to as “Fourier Modal Method” (FMM), and MG Moharam and TK Gaylord, "Diffraction analysis of dielectric surface-relief gratings", J. Opt.
  • the optical components of the illumination system and of the detection system are largely identical to those of the embodiment according to FIG.
  • the lighting unit comprises a light source 8.1 and a rear mirror 8 in the beam path, preferably formed as a parabolic mirror.
  • the light emitted by the light source 8.1 light is homogenized by using a lens system 8.6 the light is focused on the face of a "light tunnel” or "light rod” 8.7.
  • a prism system 8.8 preferably a TIR prism
  • a spatial light modulator 8.4 as SMM, preferably a digital mirror device ( DMD), steered.
  • a spatial filter 8.9 can be used for influencing the numerical aperture and the angular distribution of the light beams advancing in the direction of the sensor platform 2 before or after the spatial light modulator 8.4.
  • a spatial filter consists essentially of an aperture diaphragm, which is introduced in the beam path. The light coming from the spatial filter 8.9 is essentially unpolarized, which is shown in FIG.
  • the light is collimated by means of a lens system 9.2 and directed to a beam splitter 9.1, preferably a polarizing beam splitter, which preferably transmits only one polarization direction.
  • the sensor platform 2 preferably an evanescent field sensor platform with grating structures, which have a periodicity of the grating lines formed in one or two dimensions, is illuminated with the preferably polarized light after the beam splitter 9.1.
  • the grid lines of the sensor platform are aligned at an angle of preferably 45 ° to the polarization direction, which is indicated by the single filled double arrow, which symbolizes the polarization of the illumination light in front of the sensor platform in the illumination beam path.
  • the light emanating from the sensor plate is polarized transversely (TE) and / or transversely magnetically (TM) after interaction with the grating waveguide structure and has a direction of polarization rotated by 45 ° relative to the illuminating light (indicated by in the drawing plane horizontal double arrow) and is referred to hereinafter as light emanating from the sensor platform or "signal light.”
  • the direction of polarization and the propagation direction of the light are each represented by the arrows in FIG.
  • scattered light Light which has undergone no interaction, for example by reflection or coupling into the grating waveguide structure, conduction in the waveguide and subsequent decoupling, is hereinafter referred to as "scattered light" designated.
  • the scattered light generally has the same polarization as the irradiated illumination light.
  • the light components that have interacted with the sensor platform i. in the case of a sensor platform based on a grating waveguide structure, in this application are referred to as the "outgoing from the sensor platform light".
  • the light emanating from the sensor platform is directed by the polarizing beam splitter 9.1 onto a lens system 10.2 as part of the light collection optics.
  • a lens system 10.2 as part of the light collection optics.
  • only the "signal light” changed by its interaction with the sensor platform in its polarization direction is directed onto the lens system 10.2, while the essentially unchanged "scattered light” in its polarization direction is transmitted through the polarizing beam splitter 9.1.
  • the "signal light” is separated from the "scattered light", which can lead to an improvement of the signal-to-noise ratio.
  • the “signal light” is directed by means of a lens system 10.2 into an optical fiber 10.1 and guided to a light analysis unit 11.1, for example a spectrometer, as part of a detection unit.
  • a typical spectral curve (measured intensity l ( ⁇ ) as a function of the wavelength ⁇ ), as may arise from reflection on a grating-waveguide structure, is shown schematically.
  • FIG. 1 Another preferred embodiment of an analytical system according to the invention is shown in FIG.
  • the optical components of the illumination system and of the detection system are largely identical to those of the embodiments according to FIGS. 2 and 5.
  • the unpolarized light coming from the lens system 9.2 is directed onto the sensor platform 2 by means of a beam splitter 9.1. That of the Sensor platform 2 outgoing or reflected light is transmitted through the beam splitter 9.1 and by means of a lens system 10.2 and a deflecting mirror 10.3, through the use of which a more compact design can be realized, directed to a polarizing beam splitter 10.4.
  • the polarizing beam splitter 10.4 separates the two
  • Polarization directions of the incident light on him are coupled separately into optical fibers 10.1, which guide the light to the light analysis unit 11.1, for example to several spectrometers for the detection of the spectra for different polarizations.
  • typical spectral curves as may arise from reflection on a grating-waveguide structure, are shown schematically for TE and TM polarization.
  • FIG. 7 Another preferred embodiment of an analytical system according to the invention is shown in FIG.
  • the optical components of the illumination system and the detection system are largely identical to those of the embodiment of FIG.
  • the embodiment according to FIG. 7 is characterized in that a prism for generating total internal reflection or a "resonant mirror" is used here as sensor platform 2.
  • FIG. 8 shows a further preferred embodiment of an analytical system according to the invention, in which the sensor platform 2 is designed as a microtiter plate or as its component.
  • the irradiation of the illumination light and the detection of the outgoing of the sensor platform light on opposite sides of the sensor platform, ie in a transmission light or transmitted light arrangement made.
  • an analytical system is characterized in that the illumination system has two or more arrangements for time-varying spatial light modulation.
  • Such an embodiment is advantageously characterized by an increase in the spatial resolution of the illumination pattern to be generated on the sensor platform and / or by a further possible increase in the readout speed of the light signals emanating from the sensor platform, when the detection steps with the light modulation by the two or more SLMs are correlated. out.
  • This embodiment is particularly preferred in combination with sensor platforms designed as microtiter plates.
  • FIG. 9 a shows the illumination of a single measuring range, which here is equivalent to a single well of the microtiter plate.
  • the illumination pattern is illustrated here by a hatched square around a measurement area (well) of the sensor platform denoted by "S.”
  • Figure 9b illustrates the simultaneous illumination (hatched cross) of 4 surrounding measurement areas (wells) which are used, for example, to obtain reference measurements and denoted by "R”.
  • FIGS. 10a-10c illustrate how the illumination pattern to be generated on the sensor platform can be adapted to a wide variety of geometries.
  • FIG. 10 a shows the illumination of a multiplicity of measurement areas in a hexagonal pattern.
  • FIG. 10b shows the illumination of measuring areas which are arranged in concentric circular rings.
  • FIG. 10c illustrates an illumination pattern with any irregular geometry, such as, for example, the targeted illumination of biological cells located on the sensor platform can correspond.
  • the generated illumination pattern can be changed within a very short time by discrete switching of the individual elements of the SLM and, for example, adapted to changes in the geometry of the measuring ranges.
  • a further subject of the present invention is a method for generating and measuring optical signals and / or their changes from measuring ranges, which are arranged in a one- or two-dimensional array on a substantially optically transparent sensor platform, using an analytical system according to one of hereinafter described embodiments, at least comprising
  • a sensor platform which can be inserted into the optical system and has measuring areas arranged thereon in a one- or two-dimensional array, characterized in that, in the operating state, illumination patterns emerge from an illumination light entering this SLM with a substantially homogeneous intensity distribution in the cross section of the illumination light perpendicular to its propagation direction Selectable and quickly changeable geometry that can be determined by the settings of the SLM can be generated on the sensor platform.
  • a method is preferred which is characterized in that a brightness distribution of the signals is measured with the aid of the detection system with at least one detection unit, and that this brightness distribution is analyzed independently of measured absolute signal intensities.
  • optical signals and / or their changes are generated from discrete measurement ranges by one or more binding or adsorption events between one or more analytes in one or more samples and specific Recognition elements for said analytes in or on said measurement areas, wherein the samples and the detection elements for the analyte to be detected in the samples are brought into contact with each other on the measurement areas, and that from these optical signals and / or their changes a simultaneous qualitative and / or quantitative Detection of a variety of analytes in one or more samples and / or one or more analytes in a variety of samples is possible.
  • Another object of the present invention is the use of an analytical system according to one of the aforementioned embodiments and / or a method according to one of the aforementioned embodiments for quantitative and / or qualitative analyzes for the determination of chemical, biochemical or biological analytes in screening methods in the pharmaceutical research, the combinatorial Chemistry, clinical and preclinical development, real-time binding studies and kinetic parameters in affinity screening and research, qualitative and quantitative analyte determinations, in particular for DNA and RNA analysis and the determination of genomic or proteomic differences Genome, such as single nucleotide polymorphisms, for the measurement of protein-DNA interactions, for the determination of control mechanisms for mRNA expression and for protein synthesis, for the preparation of toxicity studies and for the determination of expression profiles, in particular for the determination of biological and chemical marker substances, such as mRNA, proteins, peptides or low-molecular organic (messenger) substances, as well as for the detection of antibodies, antigens, pathogens or bacteria in pharmaceutical product research and development, human and veterinary diagnostics
  • the structure of the analytical system corresponds to the embodiment of Figure 4, i. Arrangement of the lighting system and the
  • the illumination system 1 comprises a commercial projection system with light emitting diodes (LEDs) as light sources.
  • LEDs light emitting diodes
  • FIG. 12 shows the emission spectrum of this projector with simultaneous operation of all three LED light sources.
  • the blue, green and red LEDs used have central emission wavelengths of 460 nm, 520 nm and 627 nm, respectively, and a spectral emission bandwidth of typically 20 nm to 40 nm.
  • the red light source is mainly used, with, of course, also light sources of different emission spectrum , for example with blue or green emission, can be used.
  • the light of the LEDs is homogenized by means of a "light tunnel” and directed to a Digital Mirror Device (DMD) as SLM
  • DMD Digital Mirror Device
  • the illumination unit in the illumination beam path comprises a polarizer.
  • the optical sensor platform comprises a thin film waveguide having a grating structure structured therein, i. a structure known as the "resonant lattice structure" comprising a planar glass substrate as support having a refractive index of 1.5 at 633 nm and having two large parallel surfaces at a distance of 1 mm as the thickness of the support in which one of the two mentioned
  • Surface is structured an optical grating with a period of 360 nm.
  • this grid is pronounced as a surface relief grid with mutually parallel webs and grooves of the same web width or groove width, wherein the distance between two successive webs or grooves is referred to as the grating period.
  • the grid can be over the entire surface over an entire surface of the glass substrate be educated.
  • the grating is covered with a substantially optically transparent layer having a refractive index of 2.1 at 633 nm and a thickness of 150 nm as waveguiding layer.
  • the resonance angles for light coupling of TM and TE polarized light with 626 nm wavelength can differ by the order of 10 °.
  • the resonance angles are again different.
  • the wavelength of the light component for which the resonance condition for the light coupling is met at the predetermined irradiation angle is referred to as the "resonance wavelength".
  • the center of the two resonances corresponds to the autocollimation angle, which corresponds to the perpendicular to the surface plane of the sensor platform.
  • the measured variable can be next to Determining the measured variable also determine the orientation of the sensor platform in the region of the measuring range.
  • the resonance conditions for light coupling for both directions of polarization ie for TE and TM polarization
  • the thickness and the refractive index of a layer applied to the surface of the sensor platform for example an adhesion-promoting layer, a complete or partial, ie perforated, layer of detection elements for analyte detection or of bound analyte compounds.
  • changes in the effective refractive index can be determined, which are caused, for example, by molecular adsorption or desorption processes on the surface of the sensor platform and corresponding changes in the (macroscopic) refractive index at this surface. Because of the well-known
  • Dependence of the refractive index on the layer and light parameters can be determined from these changes in the effective refractive index or of the resonance angle or wavelength as coupling parameters of the sensor platform, for example absolute or relative changes in the mass coverage on the surface of the sensor platform. If a calibration of these changes with known If mass assignments (for example with complete or partial monolayers of surface adsorbed molecules of known molecular weight) are or are present, it is also possible to determine absolute values of the surface coverage. In particular, with known density of the surface coverage can be drawn in the case of non-spherical surface adsorbed molecules from the height of the signal changes, for example, conclusions about the orientation of the adsorbed molecules.
  • Simultaneous measurement for two different polarizations allow mathematical models to determine the refractive index and thickness of a surface deposited layer. This additional information allows further conclusions. For example, it can be determined whether molecules have attached to the surface as a dense monolayer or have accumulated loosely and in multiple layers. In this case it is also easier to draw conclusions about the orientation of non-spherically symmetric molecules, since different orientations of the molecules on the surface, for example for "lying" molecules and for "stationary” molecules, with the same mass assignment to different optical properties of the sensor layer, in particular to different refractive indices and layer thicknesses lead.
  • the detection unit is aligned in the transmission direction along the optical axis of the illumination light generated by the illumination unit, in this case, the detection angle ⁇ coincides with the incident angle ⁇ of the illumination light on the sensor platform.
  • the light collecting optics 10 a lens with a focal length of 500 mm is used in this example, with which the light is focused on the entry end face of an optical fiber, from where the light component thus coupled into the fiber and guided therein is guided into a spectrometer for further spectral analysis.
  • the lens is arranged at a distance of approximately 500 mm in each case between the sensor platform and the optical fiber.
  • FIG. 12 shows, for four differently set angles of incidence 6.3, 6.4, 6.5 and 6.6 of the illumination light on the sensor platform, the spectra recorded in transmission of the TE-poled illumination light of the red LED.
  • the spectrum of the transmitted light has a minimum. From the position, width and depth, it is possible, with known physical parameters of the sensor platform, to draw conclusions about the effective refractive index or adsorption or desorption processes on the sensor platform.
  • Corresponding spectra for TM-polahs Ofs illumination light at two different angles of incidence 6.1 and 6.2 are shown in Figure 13, in which case the transmission minima are less pronounced at the respective resonance wavelengths.
  • the lighting system 1 comprises a commercial projection system with light-emitting diodes (LEDs) as light sources.
  • LEDs light-emitting diodes
  • FIG. 11 shows the emission spectrum of this projection system with simultaneous operation of all three LED light sources.
  • the blue, green and red LEDs used have central emission wavelengths of 460 nm, 520 nm and 627 nm and a spectral emission bandwidth of typically 20 nm to 40 nm.
  • the light from the LEDs is homogenized by means of a "light tunnel” and onto a digital mirror device (DMD) as SLM 4.
  • DMD digital mirror device
  • the illumination unit in the illumination beam path comprises a polarizer.
  • the optical sensor platform comprises a thin-film waveguide with a lattice structure structured therein, ie a structure known as the "resonant lattice structure" comprising a planar glass substrate as support with a refractive index of 1.5 at 633 nm and with two large parallel surfaces at a distance of 1 mm as the thickness of the carrier, in which one of the two surfaces mentioned is structured an optical grating having a period of 360 nm Groove width is pronounced, where the grating period is the distance between two successive webs or grooves can be formed over the entire surface over an entire surface of the glass substrate.
  • the grating is covered with a substantially optically transparent layer having a refractive index of 2.1 at 633 nm and a thickness of 150 nm as waveguiding layer.
  • the detection unit is aligned in the reflection direction along the optical axis of the illumination light generated by the illumination unit, in which case the detection angle 7 coincides in magnitude with the incident angle 6 of the illumination light on the sensor platform, but with opposite sign .
  • the light collecting optics 10 a lens with a focal length of 500 mm is used in this example, with which the light is focused on the entry end face of an optical fiber, from where the light component thus coupled into the fiber and guided therein is guided into a spectrometer for further spectral analysis.
  • the lens is arranged at a distance of approximately 500 mm in each case between the sensor platform and the optical fiber.
  • FIG. 14 shows, for a single set angle of incidence of the illumination light on the sensor platform, the spectrum of the TM-poled illumination light of the red LED recorded in the reflection direction. At the resonance wavelength corresponding to this angle of incidence for the light coupling, the spectrum has a sharp maximum in the reflection direction. From the position, width and depth, it is possible, with known physical parameters of the sensor platform, to draw conclusions about the effective refractive index or adsorption or desorption processes on the sensor platform. List of reference numbers:
  • illumination light 5 light 6 originating from the sensor platform; 6.1; 6.2; 6.3;
  • Electro-optical unit for generating an over the
  • SLM Light modulation
  • Optical fiber 10.2 lens system

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

The invention relates to an analytical system and a method carried out thereby for producing and measuring optical signals and/or the variations thereof from measuring regions which are arranged in a one-dimensional or two-dimensional array on an essentially optically transparent sensor platform (2). Said system comprises at least: an optical system provided with a lighting system (1) for illuminating measuring regions on the sensor platform (2), and a detection system (3) provided with at least one detection unit (11) for detecting signals from the measuring regions on the sensor platform, in the direction of the transmission or reflection of the illumination light in a spectral region comprising the spectral region of the illumination light; and a sensor platform (2) that can be introduced into the optical system and comprises measuring regions arranged thereon in a one-dimensional or two-dimensional array. The invention is characterised in that the illumination system (1) comprises an arrangement for rapidly variable spatial light modulation, described as an 'SLM' (8.4), by which means, in the operating state, illumination patterns having freely selectable and rapidly variable dimensions which can be determined by the adjustments of the SLM (8.4) can be generated on the sensor platform (2), from an illumination light entering into the SLM (8.4), with essentially homogeneous intensity distribution in the cross-section of the illumination light, perpendicularly to the propagation direction thereof. The invention also relates to the use of the claimed analytical system and to the claimed method implemented thereby.

Description

Analytisches System mit einer Anordnung zur zeitlich veränderbaren räumlichen Lichtmodulation und damit ausführbares Nachweisverfahren Analytical system with an arrangement for temporally variable spatial light modulation and thus executable detection method
Technisches GebietTechnical area
Die vorliegende Erfindung betrifft ein analytisches System und damit auszuführendes Verfahren zur Erzeugung und Messung von optischen Signalen aus Messbereichen, welche in einem ein- oder zweidimensionalen Array auf einem festen Träger als Messplattform angeordnet sind, welcher nachfolgend als Sensorplattform bezeichnet wird. Ein solches analytisches System und Verfahren ist beispielsweise verwendbar zur Analyse von Proben auf darin enthaltene biologische, biochemische oder synthetisch hergestellte Substanzen als Analyten. Die Erfindung betrifft insbesondere ein solches System und Verfahren, welches geeignet ist, eine einzelne Probe auf eine Vielzahl von Analyten und / oder eine Vielzahl von Proben auf einen oder mehrere Analyten auf einer gemeinsamen Sensorplattform gleichzeitig zu untersuchen. Dabei ist das erfindungsgemäße analytische System für refraktive Messmethoden geeignet.The present invention relates to an analytical system and method to be carried out therewith for the generation and measurement of optical signals from measuring areas, which are arranged in a one- or two-dimensional array on a solid support as a measuring platform, which is referred to below as a sensor platform. Such an analytical system and method is useful, for example, for analyzing samples for biological, biochemical or synthetically produced substances contained therein as analytes. In particular, the invention relates to such a system and method which is suitable for simultaneously examining a single sample for a plurality of analytes and / or a plurality of samples for one or more analytes on a common sensor platform. In this case, the analytical system according to the invention is suitable for refractive measurement methods.
Stand der TechnikState of the art
Zur gleichzeitigen Bestimmung einer Vielzahl von Analyten sind in den vergangenen Jahren zahlreiche Ausführungsformen von sogenannten "Microarrays" bekannt geworden, bei denen eine Vielzahl unterschiedlicher biologischer oder biochemischer oder synthetischer Erkennungselemente, zur spezifischen Erkennung und Bindung der nachzuweisenden Analyten, in diskreten Messbereichen, auch als "Spots" bezeichnet, immobilisiert sind. Vielfach beruht der Analytnachweis dabei auf der Detektion optischer Signale, beispielsweise von Lumineszenz oder Lumineszenzänderungen lumineszenzfähiger Moleküle, welche mit dem Analyten selbst oder einem seiner Bindungspartner, welche in einem oder in mehreren Bindungsassay- Schritten in den Messbereichen an die jeweiligen Erkennungselemente binden, verknüpft sind. Derartige Microarrays, bei denen die nachzuweisenden Analyten aus einer mit dem Array zusammengebrachten Probe an ihre in den Spots immobilisierten Erkennungselemente binden, nachdem sie von diesen erkannt und "eingefangen" worden sind, werden auch als "Capture-Arrays" bezeichnet.For the simultaneous determination of a large number of analytes, numerous embodiments of so-called "microarrays" have become known in recent years in which a multiplicity of different biological or biochemical or synthetic recognition elements, for the specific recognition and binding of the analytes to be detected, in discrete measurement ranges, also as " Spots ", are immobilized. In many cases, the analyte detection is based on the detection of optical signals, for example of luminescence or luminescence changes luminescent molecules which are linked to the analyte itself or one of its binding partners which bind to the respective recognition elements in one or more binding assay steps in the measurement regions. Such microarrays, in which the analytes to be detected from a sample brought together with the array, bind to their recognition elements immobilized in the spots, after they have been recognized by these and "captured", are also referred to as "capture arrays".
Neben diesen relativ weit verbreiteten "Capture-Arrays" sind in den letzten Jahren auch sogenannte "Reverse Arrays" oder "Reverse Phase Arrays" bekannt geworden, bei denen die Proben selbst, beispielsweise unbehandelte oder nur wenigen Probenaufbereitungsschritten unterzogene Zell-Lysate, in diskreten Messbereichen in einem Microarray immobilisiert sind und dem Microarray dann die Erkennungselemente, gegebenenfalls verknüpft mit lumineszenten bzw. fluoreszenten Labein zur Signalerzeugung in lumineszenzbasierenden Nachweisverfahren zugeführt werden. Derartige Arrays wurden beispielsweise in den internationalen Patentanmeldungen WO 2004/023142 und WO 2004/023143 beschrieben. Das erfindungsgemäße analytische System und Verfahren kann in Kombination mit beiden Arten von Arrays, d.h. sowohl "Capture-Arrays" als auch "Reverse Arrays", eingesetzt werden.In addition to these relatively widespread "capture arrays", so-called "reverse arrays" or "reverse phase arrays" have become known in recent years, in which the samples themselves, for example, untreated or only a few sample preparation steps subjected cell lysates, in discrete measurement ranges are immobilized in a microarray and the microarray then the recognition elements, optionally linked to luminescent or fluorescent Labein be supplied for signal generation in luminescence-based detection method. Such arrays have been described, for example, in international patent applications WO 2004/023142 and WO 2004/023143. The analytical system and method of the invention may be used in combination with both types of arrays, i. both "capture arrays" and "reverse arrays" are used.
Für die Detektion der erfolgten Analytbindung in verschiedenen Messbereichen ist eine ortsaufgelöste Detektion des von denFor the detection of the analyte binding in different measuring ranges, a spatially resolved detection of the of the
Messbereichen ausgehenden Lichts vorteilhaft, wobei die Ortsauflösung des Detektionsschritts, entsprechend der Anordnung der Messbereiche, ein- oder zweidimensional sein sollte. Dieses wird üblicherweise, zur gleichzeitigen Erfassung der Signale aus einer Vielzahl von Messbereichen, durch den Einsatz entsprechender ortsauflösender Detektoren (z.B. von Zeilen-Detektoren für eindimensionale Ortsauflösung oder Kameras für zweidimensionale Ortsauflösung) erreicht.Measuring ranges of outgoing light advantageous, the spatial resolution of the detection step, according to the arrangement of the measuring ranges, should be one or two-dimensional. This is usually, for the simultaneous detection of the signals from a variety of measuring ranges, by the use of appropriate spatially resolving detectors (eg Line detectors for one-dimensional spatial resolution or cameras for two-dimensional spatial resolution) achieved.
Basierend auf einfachen Glas- oder Mikroskop-Plättchen und Fluoreszenzdetektion zum Analytnachweis sind Arrays mit einer sehr hohen Feature-Dichte (d.h. Anzahl diskreter Messbereiche pro Flächeneinheit) bekannt. Beispielsweise werden in US-Patent Nr. 5,445,934 Arrays von Oligonukleotiden mit einer Dichte von mehr als 1000 Features pro Quadratzentimeter beschrieben und beansprucht. Die Anregung und das Auslesen solcher Arrays beruht auf klassischen optischen Anordnungen und Methoden. Es kann das ganze Array gleichzeitig mit einem aufgeweiteten Anregungslichtbündel beleuchtet werden, was jedoch zu einer relativ geringen Empfindlichkeit führt, da der Streulichtanteil relativ groß ist und Streulicht oder Untergrundfluoreszenzlicht aus dem Glassubstrat auch in den Bereichen erzeugt wird, in denen sich keine zur Bindung des Analyten immobilisierten Erkennungselemente befinden. Um die Anregung und Detektion auf die Bereiche der immobilisierten Features zu beschränken und Lichterzeugung in den Nachbarbereichen zu unterdrücken, werden vielfach konfokale Messanordnungen eingesetzt und die verschiedenen Features sequentiell mittels "Scannen" ausgelesen. Dieses kann jedoch einen größeren Zeitaufwand zum Auslesen eines großen Arrays und einen relativ komplexen optischen Aufbau zur Folge haben.Based on simple glass or microscope slides and fluorescence detection for analyte detection, arrays of very high feature density (i.e., number of discrete measurement areas per unit area) are known. For example, U.S. Patent No. 5,445,934 describes and claims arrays of oligonucleotides having a density of greater than 1000 features per square centimeter. The excitation and readout of such arrays is based on classical optical arrangements and methods. The entire array can be illuminated simultaneously with an expanded excitation light beam, but this leads to a relatively low sensitivity, since the scattered light component is relatively large and scattered light or background fluorescent light is generated from the glass substrate even in those areas in which no binding of the analyte immobilized recognition elements are located. In order to limit the excitation and detection to the areas of the immobilized features and to suppress light generation in the neighboring areas, often confocal measuring arrangements are used and the different features are sequentially read out by means of "scanning". However, this can result in a greater amount of time spent reading a large array and a relatively complex optical design.
Es sind eine Reihe verschiedener Arten von Sensorplattformen und damit ausführbaren Nachweisverfahren bekannt, welche sich beispielsweise in dem eingesetzten Messprinzip unterscheiden und entsprechend in unterschiedliche Kategorien eingeteilt werden können. Beispielsweise kann unterschieden werden zwischen lumineszenzbasierenden Nachweismethoden, z.B. basierend auf Fluoreszenz- oder Phosphoreszenzdetektion nach optischer Anregung von im Nachweisschritt eingesetzten fluoreszenz- bzw. phosphoreszenzfähigen Gruppen oder Molekülen, und refraktiven Messmethoden, mithilfe derer Änderungen des Brechungsindexes an der Oberfläche einer Sensorplattform detektiert werden. Die refraktiven Messverfahren werden auch als „marker-freie" („label-free") Methoden bezeichnet, welche sich durch den Vorteil auszeichnen, dass sie keine „Markierung" bzw. Verknüpfung der zu detektierenden Verbindungen mit einer speziell für den Nachweisschritt einzusetzenden molekularen Gruppe oder Verbindung erfordern. Im Falle der refraktiven Messverfahren können die zu detektierenden Signale und deren Änderungen beispielsweise auf Nahfeldeffekten beruhen, welche zu einer oberflächengebundenen Signalverstärkung führen (siehe unten).There are a number of different types of sensor platforms and thus feasible detection method known, which differ for example in the measuring principle used and can be divided into different categories accordingly. For example, a distinction can be made between luminescence-based detection methods, for example based on fluorescence or phosphorescence detection after optical excitation of fluorescent or phosphorescent groups used in the detection step or Molecules, and refractive measurement methods by means of which changes in the refractive index are detected on the surface of a sensor platform. The refractive measurement methods are also referred to as "marker-free"("label-free") methods, which have the advantage that they do not "label" or link the compounds to be detected with a molecular group to be used specifically for the detection step In the case of refractive measurement methods, the signals to be detected and their changes may be due, for example, to near field effects, which lead to a surface-bound signal amplification (see below).
Zur Verbesserung der Empfindlichkeit werden vielfach Evaneszentfeld- Sensorplattformen eingesetzt, d.h. solche Messplattformen, an deren der zu untersuchenden Probe zugewandten Oberfläche ein evaneszentes Feld, auch als quergedämpftes Feld bezeichnet, erzeugbar ist, welches eine Beschränkung eines mit dem Analyten und / oder der Probe wechselwirkenden Anregungs- oder Messlichts auf die Eindringtiefe dieses evaneszenten Feldes in ein benachbartes Medium auf die Größenordnung eines Bruchteils der Wellenlänge des verwendeten Anregungs- oder Messlichts ermöglicht. Damit ist eine räumlich hochselektive Anregung von Molekülen oder Wechselwirkung mit Molekülen innerhalb der Eindringtiefe dieses Feldes in die benachbarten Medien möglich, während zugleich Störsignale aus Bereichen jenseits dieser Eindringtiefe vermieden werden können.Evanescent field sensor platforms are often used to improve sensitivity, i. Such measuring platforms, on whose surface facing the sample to be examined an evanescent field, also referred to as transversely attenuated field, can be generated, which limits the interaction of the analyte and / or the sample excitation or measurement light on the penetration depth of this evanescent field in an adjacent Medium on the order of a fraction of the wavelength of the excitation or measuring light used allows. Thus, a spatially highly selective excitation of molecules or interaction with molecules within the penetration depth of this field in the adjacent media is possible, while at the same time interference signals from areas beyond this penetration depth can be avoided.
Ein evaneszentes Feld wird beispielsweise bei Totalreflexion eines sich in einem Medium (z. B. einem Prisma oder einem selbstragenden optischen Wellenleiter wie einem Glasplättchen) mit höherer Brechzahl als derjenigen des umgebenden Mediums ausbreitenden Lichtstrahls an der Grenzfläche dieses höherbrechenden Mediums zum niederbrechenden Medium erzeugt. In einer solchen Konfiguration wird dabei das evaneszente Feld jeweils an diskreten Orten der Totalreflexionen an den Grenzflächen zum niederbrechenden Medium erzeugt.An evanescent field is produced, for example, by total reflection of a light beam propagating in a medium (eg, a prism or a self-sustaining optical waveguide such as a glass plate) having a higher refractive index than that of the surrounding medium at the interface of this higher refractive index medium to the low refractive medium. In such a configuration, the evanescent field is in each case discrete locations of total reflections produced at the interfaces to the low-refractive medium.
Als Weiterentwicklung optischer Wellenleiter sind optische Dünnschichtwellenleiter, insbesondere planare optischeAs a further development of optical waveguides are optical thin-film waveguides, in particular planar optical
Dünnschichtwellenleiter bekannt, bei denen es sich im einfachsten Fall um ein Dreischichtsystem handelt: Trägermaterial (vielfach auch als „Substrat" bezeichnet), wellenleitende Schicht, Superstrat ( bzw. zu untersuchende Probe), wobei die wellenleitende Schicht den höchsten Brechungsindex besitzt. Zusätzliche Zwischenschichten können die Wirkung des planaren Wellenleiters noch verbessern. Die Stärke des evaneszenten Feldes ist dabei sehr stark abhängig von der Dicke der wellenleitenden Schicht selbst sowie vom Verhältnis der Brechungsindices der wellenleitenden Schicht und der sie umgebenden Medien. Bei dünnen Wellenleitern, d. h. Schichtdicken von derselben oder niedrigerer Dicke als der zu führenden Wellenlänge, können diskrete Moden des geleiteten Lichts unterschieden werden.Thin-film waveguides are known, which are in the simplest case a three-layer system: carrier material (often referred to as "substrate"), waveguiding layer, superstrate (or sample to be examined), wherein the waveguiding layer has the highest refractive index The strength of the evanescent field is very much dependent on the thickness of the waveguiding layer itself and on the ratio of the refractive indices of the waveguiding layer and the surrounding media, for thin waveguides, ie layer thicknesses of the same or lower thickness as the wavelength to be guided, discrete modes of the guided light can be discriminated.
Evaneszente Felder können auch mit Hilfe sogenannter „resonanter Gitterstrukturen" erzeugt werden. Resonante Gitterstrukturen besitzen ebenso wie planare optische Wellenleiter eine Strukturierung (Schichtung) mit Materialien unterschiedlicher Brechungsindices in Richtung senkrecht zur Ebene des im wesentlichen planaren Substrats. Dabei weist mindestens eine der auf dem Substrat aufgebrachten Schichten, in welche ein Anregungs- oder Messlicht unter Resonanzbedingungen eingekoppelt werden kann, eine höhere Brechzahl als diejenige des Substrats auf. Zusätzlich zu (in der Ebene parallel zu derjenigen des Substrats unstrukturierten) optischen Wellenleitern weisen resonante Gitterstrukturen eine eindimensional oder zweidimensional verlaufende, meist periodische Strukturierung des (effektiven) Brechungsindex, erzeugt unter Verwendung von gleichen oder unterschiedlichen Materialien, in der Ebene der mindestens einen höherbrechenden Schicht parallel zur Substratebene auf. Außerdem kann eine resonante Gitterstruktur eine Strukturierung mit Materialien unterschiedlicher Brechzahlen, wie in Richtung senkrecht zur Substratebene, auch in der dazu parallelen Ebene aufweisen. Resonante Gitterstrukturen sind aus der Literatur bekannt und beispielsweise in US- Patent Nr. 5,598,300 sowie in der Patentanmeldung US 2004/0130787 beschrieben.Evanescent fields can also be generated by means of so-called "resonant lattice structures." Resonant lattice structures, like planar optical waveguides, have a structuring (stratification) with materials of different refractive indices in the direction perpendicular to the plane of the substantially planar substrate, with at least one of them on the substrate In addition to (in the plane parallel to that of the substrate unstructured) optical waveguides resonant lattice structures have a one-dimensional or two-dimensional, mostly Periodic structuring of the (effective) refractive index, generated using the same or different materials, in the plane of the at least one higher refractive index layer parallel to the substrate plane. In addition, a resonant grid structure may have a structuring with materials of different refractive indices, as in the direction perpendicular to the substrate plane, also in the plane parallel thereto. Resonant grating structures are known from the literature and are described, for example, in US Pat. No. 5,598,300 and in patent application US 2004/0130787.
Als eine weitere Ausführungsform von Evaneszentfeld-Sensorplattformen können sogenannte „Resonante Spiegel" („Resonant Mirror") angesehen werden, welche im wesentlichen ein Dreischichtsystem umfassen: ein hochbrechendes Prisma, darauf aufgebracht eine Schicht mit niedrigerem Brechungsindex unter einer darauf befindlichen weiteren Schicht mit hohem Brechungsindex. Unter Betriebsbedingungen wird auf das Prisma eingestrahltes Licht an der Oberfäche desselben total reflektiert. Das bei dieser Totalreflexion an der Oberfläche des Prisma entstehende evaneszente Feld reicht in die Schicht mit niedriger Brechzahl hinein, und aufgrund der geringen Dicke der niederbrechenden Schicht reicht es auch bis in die hochbrechende zweite Schicht hinein. Dabei wirkt die zweite hochbrechende Schicht wie ein Wellenleiter. Der effektive Brechungsindex dieses Wellenleiters und damit die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes in diesem Wellenleier wird dabei durch die optischen Parameter des Schichtsystems (im wesentlichen Brechungsindices und Schichtdicken) sowie einer gegebenenfalls an der Oberfläche der Evaneszentfeld- Sensorplattform befindlichen Beschichtung (z. B. mit einer Haftvermittlungsschicht oder mit spezifischen Erkennungselementen zum Analytnachweis) sowie des umgebenden Mediums bestimmt. Wenn die Ausbreitungsgeschwindigkeit des evaneszenten Feldes des Prismas mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts im Wellenleiter übereinstimmt, wird ein Teil des evaneszenten Feldes des Prismas in den Wellenleiter eingekoppelt. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des evaneszenten Feldes des Primas kann beispielsweise durch Verändern des Einfallswinkels oder durch Verändern der Wellenlänge beeinflusst werden. Durch das im Wellenleiter geführte Licht entstehen auf beiden Seiten des Wellenleiters wiederum evaneszente Felder, wobei das prismenseitige evaneszente Feld des Wellenleiters wiederum in die niederbrechende Schicht und darüber hinaus bis in das hochbrechende Prisma hineinreicht. Analog zur Einkopplung in den Wellenleiter wird dadurch im Wellenleiter geführtes Licht wieder in das Prisma ausgekoppelt und kann von dort auf eine Detektionseinheit gelenkt werden. Die an das Prisma sowie die zweite hochbrechende Schicht gebundenen Vorgänge von Lichteinkopplung und - auskopplung finden gleichzeitig statt, wodurch das vom Prisma zur Detektionseinheit gelenkte Licht eine resonante Charakteristik aufweist. Diese Technologie des „resonanten Spiegels" ist näher beispielsweise in US-Patent Nr. US 5,255,075 sowie in der Publikation P. E. Buckle et al., „The resonant mirror: a novel optical sensor for direct sensing of biomolecular interactions, Part II: Application", Biosensors & Bioelectronics 8 (1993), 355 - 363, beschrieben.As a further embodiment of evanescent field sensor platforms, so-called "resonant mirrors" may be considered which essentially comprise a three-layer system: a high refractive prism with a lower refractive index layer deposited thereon beneath another high refractive index layer thereon , Under operating conditions, light incident on the prism is totally reflected at its surface. The resulting in this total reflection at the surface of the prism evanescent field extends into the layer with low refractive index, and due to the small thickness of the low-refractive layer, it also extends into the high refractive second layer. The second high-index layer acts like a waveguide. The effective refractive index of this waveguide, and thus the propagation speed of the light in this waveguide, is determined by the optical parameters of the layer system (essentially refractive indices and layer thicknesses) and a coating optionally located on the surface of the evanescent field sensor platform (eg with an adhesion-promoting layer or layer) with specific recognition elements for analyte detection) and of the surrounding medium. When the propagation velocity of the evanescent field of the prism coincides with the propagation velocity of the light in the waveguide, part of the evanescent field of the prism becomes the waveguide coupled. The propagation velocity of the evanescent field of the primate can be influenced, for example, by changing the angle of incidence or by changing the wavelength. The guided in the waveguide light again evanescent fields arise on both sides of the waveguide, the prism-side evanescent field of the waveguide in turn extends into the low-refractive layer and beyond into the high refractive prism. Analogous to the coupling into the waveguide, light guided in the waveguide is decoupled again into the prism and can be directed from there to a detection unit. The processes of light coupling and decoupling bound to the prism and the second high refractive index layer occur simultaneously, whereby the light directed from the prism to the detection unit has a resonant characteristic. This "resonant mirror" technology is more fully described, for example, in US Pat. No. 5,255,075, and in PE Buckle et al., "The resonant mirror: a novel optical sensor for direct sensing of biomolecular interactions, Part II: Application," Biosensors & Bioelectronics 8 (1993), 355-363.
Die Verwendung von Evaneszentfeld-Sensorplattformen ist geeignet, die Aufgabenstellungen zur Ereichung einer verbesserten Empfindlichkeit, d. h. tieferer Nachweisgrenzen beim Analytnachweis, und einer höheren Genauigkeit zu lösen. Zusätzlich ergibt sich aber die Notwendigkeit der Optimierung von analytischen Systemen und Nachweisverfahren für die Messung einer möglichst großen Anzahl von Signalen aus einer Vielzahl von diskreten Messbereichen innerhalb eines möglichst kurzen Zeitraums.The use of evanescent field sensor platforms is suitable to solve the problems of providing improved sensitivity, ie. H. lower detection limits for analyte detection, and to solve a higher accuracy. In addition, however, there is a need for the optimization of analytical systems and detection methods for the measurement of the largest possible number of signals from a plurality of discrete measurement ranges within the shortest possible time.
Bekannt sind beispielsweise bildgebende Verfahren und dafür ausgestattete analytische Systeme. Aus dem Stand der Technik bekannt sindFor example, imaging methods and analytical systems equipped therefor are known. Known from the prior art
Messanordnungen mit gleichzeitiger mehr oder minder großflächiger Beleuchtung einer Vielzahl von Messbereichen auf einer Sensorplattform, beispielsweise zur Aufnahme von Lumineszenz- bzw. Fluoreszenzsignalen aus Mikroarrays auf einem Dünnschichtwellenleiter als Sensorplattform aus der internationalen Anmeldung WO 02/21110 oder von Signalen eines großflächig ausgebildeten Gitterkoppler-Sensors (ebenfalls basierend auf einem Dünnschichtwellenleiter; genauere Erklärung siehe später) aus der internationalen Anmeldung WO 01/88511. Diese Anordnungen ermöglichen es, innerhalb relativ kurzer, durch die Beleuchtungsdauer bestimmter Messzeiten Signale aus einer Vielzahl von Messbereichen aufzunehmen. Nachteilig weisen diese Anordnungen jedoch auf, dass infolge der durchgehenden großflächigen Beleuchtung der Sensorplattform, welche nicht auf die Regionen der Messbereiche beschränkt ist, insbesondere Signale aus den Zwischenbereichen zwischen den Messbereichen zu einem erhöhten Grundsignal, welches nicht durch die Anwesenheit eines Analyten verursacht wird, führen können, was aufgrund der resultierenden Erhöhung des Grundsignal-Niveaus zu einem verminderten Signal-zu-Rauschen- Verhältnis führt und damit zu einer verminderten Empfindlichkeit für die Bestimmung einer Vielzahl von Analyten im Vergleich zur Empfindlichkeit für eine Einzelanalyt-Bestimmung in einem einzelnen Messbereich mit darauf beschränkter Anregung und Detektion auf einer Sensorplattform ansonsten gleichartiger technischer Bauart führen kann. Außerdem besteht bei durchgehender großflächiger Beleuchtung ein erhöhtes Risiko eines optischen Übersprechens der Signale aus den verschiedenen Messbereichen.Measuring arrangements with simultaneous more or less large area Illumination of a multiplicity of measuring ranges on a sensor platform, for example for recording luminescence or fluorescence signals from microarrays on a thin-film waveguide as sensor platform from the international application WO 02/21110 or signals of a large-area grating coupler sensor (likewise based on a thin-film waveguide; Explanation see later) from international application WO 01/88511. These arrangements make it possible to record signals from a plurality of measuring ranges within a relatively short measuring time determined by the duration of the illumination. However, these arrangements have the disadvantage that, as a result of the continuous large-area illumination of the sensor platform, which is not limited to the regions of the measuring ranges, in particular signals from the intermediate ranges between the measuring ranges lead to an increased fundamental signal, which is not caused by the presence of an analyte which results in a reduced signal-to-noise ratio due to the resulting increase in background signal level, and hence reduced sensitivity for the determination of a variety of analytes as compared to sensitivity for a single analyte determination in a single measurement range limited excitation and detection can lead to a sensor platform otherwise similar technical design. In addition, there is an increased risk of optical crosstalk of the signals from the various measuring ranges with continuous large-area illumination.
Das Risiko des Übersprechens optischer Signale aus verschiedenen Messbereichen wird mit scannenden Anordnungen, d.h. sequentieller Beleuchtung und Signalerfassung von unterschiedlichen diskreten Messanordnungen, umgangen. Insbesondere im Falle von Sensorplattformen mit großen Abmessungen, beispielsweise im Format einer Standard-Mikrotiterplatte, sind jedoch verlängerte Gesamtzeiten für die Signalaufnahme und eventuell auch aufwendige mechanische Positioniervorrichtungen für notwendige Translationen über große Verfahrwege, verbunden mit sehr hohen Anforderungen an die Positioniergenauigkeit, zu erwarten, was zusätzlich nachteilig zu einer Erhöhung der Systemkosten führen kann.The risk of crosstalk of optical signals from different measuring ranges is circumvented by scanning arrangements, ie sequential illumination and signal detection by different discrete measuring arrangements. Especially in the case of large-sized sensor platforms, for example in the format of a standard microtiter plate, but extended overall times for the Signal recording and possibly complex mechanical positioning for necessary translations over long travels, coupled with very high demands on the positioning accuracy to expect, which can additionally lead to an adverse increase in system costs.
Es besteht daher die Aufgabe der Bereitstellung eines analytischen Systems und eines damit auszuführenden Verfahrens, womit ermöglicht wird, innerhalb kurzer Zeit eine Probe auf eine Vielzahl darin enthaltener Analyten und / oder eine Vielzahl von Proben auf einen oder mehrere darin enthaltene Analyten zu untersuchen, mit einer hohen Empfindlichkeit, wie sie beispielsweise von Evaneszentfeld-Sensorplattformen für Einzelanalyt- Bestimmungen bekannt ist, und welche noch weiter zu verbessern ist durch eine Erhöhung des Signal-zu-Rauschen-Verhältnisses, möglichst verbunden mit zugleich vermindertem Risiko eines optischen Übersprechens zwischen Signalen aus verschiedenen Messbereichen.It is therefore an object of the present invention to provide an analytical system and a method to be carried out with which it is possible to examine a sample for a plurality of analytes contained therein and / or a plurality of samples for one or more analytes contained therein within a short time high sensitivity, as is known, for example, from evanescent field sensor platforms for single analyte determinations, and which still has to be improved by an increase in the signal-to-noise ratio, possibly accompanied by a reduced risk of optical crosstalk between signals from different measurement ranges ,
Kurzbeschreibung der ErfindungBrief description of the invention
Erfindungsgemäß wird die vorgenannte Aufgabe gelöst mithilfe eines analytischen Systems zur Erzeugung und Messung von optischen Signalen und / oder deren Änderungen aus Messbereichen, welche in einem ein- oder zweidimensionalen Array auf einer im wesentlichen optisch transparenten Sensorplattform angeordnet sind, mindestens umfassend - ein optisches System mit einem Beleuchtungssystem zur Beleuchtung von Messbereichen auf der Sensorplattform und einem Detektionssystem mit mindestens einer Detektionseinheit zur Detektion von Signalen aus den Messbereichen auf der Sensorplattform, in Richtung der Transmission oder Reflexion des Beleuchtungslichts in einem Spektralbereich, der den Spektralbereich des Beleuchtungslichts umfasst, und - eine in das optische System einführbare Sensorplattform mit darauf in einem ein- oder zweidimensionalen Array angeordneten Messbereichen, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungssystem eine als „SLM" bezeichnete Anordnung zur zeitlich schnell veränderbaren räumlichen Lichtmodulation umfasst, mit der im Betriebszustand aus einem in dieses SLM eintretenden Beleuchtungslicht, mit im wesentlichen homogener Intensitätsverteilung im Querschnitt des Beleuchtungslichts senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung, Beleuchtungsmuster frei wählbarer und schnell veränderbarer, durch die Einstellungen des SLM festlegbarer Geometrie auf der Sensorplattform erzeugbar sind.According to the invention the above object is achieved by means of an analytical system for generating and measuring optical signals and / or their changes from measuring ranges, which are arranged in a one- or two-dimensional array on a substantially optically transparent sensor platform, at least comprising - an optical system with an illumination system for illuminating measuring areas on the sensor platform and a detection system having at least one detection unit for detecting signals from the measuring areas on the sensor platform, in the direction of the transmission or reflection of the Illuminating light in a spectral region which comprises the spectral region of the illumination light, and a sensor platform which can be inserted into the optical system and has measuring regions arranged thereon in a one- or two-dimensional array, characterized in that the illumination system is an arrangement which can be rapidly changed over time, referred to as "SLM" Spatial light modulation includes, with the operating state of an entering into this SLM illumination light, with substantially homogeneous intensity distribution in the cross section of the illumination light perpendicular to its propagation direction, illumination patterns freely selectable and quickly changeable, can be determined by the settings of the SLM geometry on the sensor platform can be generated.
Unter "schnell veränderbarer" räumlicher Lichtmodulation und "schneller Veränderung" des Beleuchtungsmusters soll dabei verstanden werden, dass diese Änderungen mit einer Frequenz größer als 1 Hz, bevorzugt größer als 1 kHz, besonders bevorzugt größer als 1 MHz stattfinden.By "rapidly variable" spatial light modulation and "rapid change" of the illumination pattern is to be understood that these changes take place with a frequency greater than 1 Hz, preferably greater than 1 kHz, more preferably greater than 1 MHz.
Die frei einstellbare Geometrie des Beleuchtungsmusters auf derThe freely adjustable geometry of the illumination pattern on the
Sensorplattform ermöglicht es, Messbereiche in beliebiger Anordnung und Geometrie auf der Sensorplattform gezielt zu beleuchten und Bereiche zwischen den Messbereichen gezielt abzuschatten, so dass die Erzeugung von beeinträchtigenden Streu- oder Störsignalen aus diesen Nachbarbereichen vermieden werden kann. Dabei kann dasSensor platform makes it possible to selectively illuminate measuring areas in any arrangement and geometry on the sensor platform and to selectively shade areas between the measuring areas, so that the generation of interfering scattered or interfering signals from these neighboring areas can be avoided. It can do that
Beleuchtungsmuster mit hoher Geschwindigkeit verändert werden. Damit wird vorteilhaft ein äußerst schnelles optisches „Abtasten" der gesamten Oberfläche der Sensorplattform mit Beschränkung der Signalanregung auf die Messbereiche selbst und Erfassung der Signale aus einer Vielzahl von Messbereichen ermöglicht, wobei gleichzeitig die vorgenannten Nachteile von Scan-Anordnungen und -Verfahren vermieden werden. Gegenüber dem Stand der Technik weist das erfindungsgemäße analytische System weitere wesentliche Vorteile auf:Illumination patterns are changed at high speed. This advantageously allows an extremely fast optical "scanning" of the entire surface of the sensor platform with limitation of the signal excitation to the measuring areas themselves and detection of the signals from a plurality of measuring ranges, while avoiding the aforementioned disadvantages of scanning arrangements and methods. Compared to the prior art, the analytical system according to the invention has further significant advantages:
- Die mechanischen Toleranzen der Aufnahmevorrichtung des analytischen Systems für eine einzuführende Sensorplattform können relativ großzügig bemessen werden, da Schwankungen in den Abmessungen bzw. der Positionierung einer einzuführenden Sensorplattform durch Anpassungen des Beleuchtungsmusters kompensiert werden können. Damit können des weiteren die Anforderungen an die Toleranzen der Abmessungen der- The mechanical tolerances of the receiving device of the analytical system for a sensor platform to be introduced can be relatively generously dimensioned, since variations in the dimensions or the positioning of a sensor platform to be inserted can be compensated by adjustments of the illumination pattern. This can further the requirements for the tolerances of the dimensions of
Sensorplattform großzügig gehalten werden, was deren Herstellungskosten senkt.Sensor platform are kept generous, which reduces their production costs.
- Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen analytischen Systems mit einer Vielzahl einzeln ansteuerbarer Einzelelemente des SLM, welche vorzugsweise größer ist als die Anzahl der- Preferred embodiments of the analytical system according to the invention with a plurality of individually controllable individual elements of the SLM, which is preferably greater than the number of
Messbereiche, erlauben eine hohe räumliche Auflösung der Signalerzeugung und damit auch Signaldetektion und verschiedene Formen des Sub-Sampling.Measuring ranges, allow a high spatial resolution of the signal generation and thus signal detection and various forms of sub-sampling.
- Im Falle der Beleuchtung von Messbereichen durch mehrere Einzelemente des SLM können mehrere Messwerte pro Messbereich unabhängig voneinander gleichzeitig generiert werden.- In the case of illumination of measuring ranges by several individual elements of the SLM, several measured values per measuring range can be generated simultaneously independently of each other.
- Es ist keine Anpassung oder gar Änderung oder Austausch der optischen Elemente des analytischen Systems bei einer Änderung der geometrischen Anordnung von Messbereichen auf der Sensorplattform erforderlich, sondern das Beleuchtungsmuster kann entsprechend angepasst werden.- It is not necessary to adapt or even change or replace the optical elements of the analytical system in a change in the geometric arrangement of measurement areas on the sensor platform, but the illumination pattern can be adjusted accordingly.
- Auf den Einsatz diffraktiver optischer Elemente, welche oft ein starres, unveränderbares Beleuchtungsmuster erzeugen, kann in den Strahlengängen verzichtet werden. Insbesondere kann deren andernfalls erforderlicher Wechsel bzw. Austausch bei Änderungen der Lichtquelle oder der erwähnten geometrischen Charakteristika der Sensorplattform vermieden werden.- The use of diffractive optical elements, which often produce a rigid, unchangeable illumination pattern, can be dispensed with in the beam paths. In particular, their otherwise required change or exchange in case of changes the light source or the mentioned geometric characteristics of the sensor platform can be avoided.
- Es können auch breitbandige Lichtquellen verwendet werden, was in Kombination mit diffraktiven optischen Elementen im Beleuchtungsstrahlengang kaum möglich ist.- It can also broadband light sources are used, which is hardly possible in combination with diffractive optical elements in the illumination beam path.
- Die rasche Veränderbarkeit des erzeugten Beleuchtungsmusters erlaubt dessen Anpassung an dynamische Prozesse (z. B. das Wachstum oder die Kontraktion von biologischen Zellen.The rapid variability of the generated illumination pattern allows its adaptation to dynamic processes (eg the growth or contraction of biological cells.
- Verschiedene Messbereiche können beliebige, unterschiedliche, voneinander unabhängige Form haben.- Different measuring ranges can have any, different, independent form.
- Es können „Binning" oder ähnliche Funktionen eingesetzt werden.- Binning or similar functions can be used.
- Ein Einsatz zusätzlicher Masken in den Strahlengängen ist nicht erforderlich.- It is not necessary to use additional masks in the beam paths.
- Die Gesamtzahl optischer Komponenten des Systems kann reduziert werden, was zu einer Verringerung der Systemkosten führt: Mehrere diffraktive optische Elemente und Masken können durch ein einziges SLM ersetzt werden.- The total number of optical components of the system can be reduced, resulting in a reduction of system costs: Several diffractive optical elements and masks can be replaced by a single SLM.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung und Messung von optischen Signalen und / oder deren Änderungen aus Messbereichen, welche in einem ein- oder zweidimensionalen Array auf einer im wesentlichen optisch transparenten Sensorplattform angeordnet sind, unter Verwendung eines analytischen Systems nach einer der nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen, mindestens umfassendA further subject of the present invention is a method for generating and measuring optical signals and / or their changes from measuring ranges, which are arranged in a one- or two-dimensional array on a substantially optically transparent sensor platform, using an analytical system according to one of hereinafter described embodiments, at least comprising
- ein optisches System mit einem Beleuchtungssystem zur Beleuchtung von Messbereichen auf der Sensorplattform, mit einer als "SLM" bezeichneten Anordnung zur zeitlich schnell veränderbaren räumlichen Lichtmodulation sowie mit einem Detektionssystem mit mindestens einer Detektionseinheit zur Detektion von Signalen aus den Messbereichen auf der Sensorplattform, in Richtung der Transmission oder Reflexion des Beleuchtungslichts in einem Spektralbereich, der den Spektralbereich des Beleuchtungslichts umfasst, und- An optical system with an illumination system for illumination of measurement areas on the sensor platform, with a designated as "SLM" arrangement for temporally fast variable spatial light modulation and with a detection system with at least one detection unit for detecting signals from the measurement areas on the sensor platform in the direction of the Transmission or reflection of the illumination light in a spectral range, which includes the spectral range of the illumination light, and
- eine in das optische System einführbare Sensorplattform mit darauf in einem ein- oder zweidimensionalen Array angeordneten- An insertable into the optical system sensor platform arranged thereon in a one- or two-dimensional array
Messbereichen, dadurch gekennzeichnet, dass im Betriebszustand aus einem in dieses SLM eintretenden Beleuchtungslicht, mit im wesentlichen homogener Intensitätsverteilung im Querschnitt des Beleuchtungslichts senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung, Beleuchtungsmuster frei wählbarer und schnell veränderbarer, durch die Einstellungen des SLM festlegbarer Geometrie auf der Sensorplattform erzeugbar sind.Measuring ranges, characterized in that in the operating state from an entering into this SLM illuminating light, with substantially homogeneous intensity distribution in the cross section of the illumination light perpendicular to its propagation direction, illumination patterns freely selectable and quickly changeable, can be determined by the settings of the SLM geometry on the sensor platform can be generated.
Besonders bevorzugt wird dabei eine solche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die optischen Signale und / oder deren Änderungen aus Messbereichen erzeugt werden durch ein oder mehrere Bindungs- oder Adsorptionsereignisse zwischen einem oder mehreren Analyten in einer oder mehreren Proben und spezifischen Erkennungselementen für besagte Analyten in oder auf besagten Messbereichen, wobei die Proben und die Erkennungselemente für die in den Proben nachzuweisenden Analyten auf den Messbereichen miteinander in Kontakt gebracht werden, und dass aus diesen optischen Signalen und / oder deren Änderungen eine gleichzeitige qualitative und / oder quantitative Detektion einer Vielzahl von Analyten in einer oder mehreren Proben und / oder eines oder mehrerer Analyten in einer Vielzahl von Proben ermöglicht wird. Kurzbeschreibung der FigurenParticular preference is given to such an embodiment of the method according to the invention, which is characterized in that the optical signals and / or their changes are generated from measuring ranges by one or more binding or Adsorptionsereignisse between one or more analytes in one or more samples and specific recognition elements for said analytes in or on said measurement areas, wherein the samples and the recognition elements for the analytes to be detected in the samples are brought into contact with each other on the measurement areas, and that from these optical signals and / or their changes a simultaneous qualitative and / or quantitative detection a plurality of analytes in one or more samples and / or one or more analytes in a plurality of samples. Brief description of the figures
Figur 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen analytischen Systems, bei der das Beleuchtungssystem 1 und das Detektionssystem 3 auf der gleichen Seite bezüglich der Sensorplattform 2 angeordnet sind.FIG. 1 schematically shows a first embodiment of an analytical system according to the invention, in which the illumination system 1 and the detection system 3 are arranged on the same side with respect to the sensor platform 2.
Figur 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen analytischen Systems mit einer als Miktrotiterplatte ausgebildeten Sensorplattform 2, einem Strahlteiler 9.1 und etwa senkrechter telezentrischer Beleuchtung der Sensorplattform 2 sowie Detektion des von der Sensorplattform ausgehenden Lichts in Richtung der Reflexion des Beleuchtungslichts.FIG. 2 shows a preferred embodiment of an analytical system according to the invention with a sensor platform 2 designed as a microtiter plate, a beam splitter 9.1 and approximately vertical telecentric illumination of the sensor platform 2, and detection of the light emanating from the sensor platform in the direction of reflection of the illumination light.
Figur 3 zeigt eine bis auf den Strahlteiler bezüglich der eingesetzten elektrooptischen Komponenten gleichartige Ausführungsform eines erfindungsgemäßen analytischen Systems wie Figur 2, aber mit Einstrahlung des Beleuchtungslichts und Detektion des von der Sensorplattform 2 ausgehenden Lichts unter einem deutlich vom Lot abweichenden, d.h. schrägen Winkel.FIG. 3 shows an embodiment of an analytical system according to the invention similar to FIG. 2, except for the beam splitter with respect to the electro-optical components used, but with illumination of the illumination light and detection of the light emanating from the sensor platform 2 at a deviating from the perpendicular, i. oblique angle.
Figur 4 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen analytischen Systems, bei der das Beleuchtungs- und das Detektionssystem auf entgegengesetzten Seiten bezüglich der Sensorplattform angeordnet sind und die Detektion in Richtung des transmittierten Lichts erfolgt.FIG. 4 schematically shows an embodiment of an analytical system according to the invention, in which the illumination and the detection system are arranged on opposite sides with respect to the sensor platform and the detection takes place in the direction of the transmitted light.
Figur 5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen analytischen Systems mit einer als Miktrotiterplatte ausgebildeten Sensorplattform 2, einem Strahlteiler 9.1 und etwa senkrechter Beleuchtung der Sensorplattform 2 sowie Detektion des von der Sensorplattform ausgehenden Lichts in Richtung der Reflexion des Beleuchtungslichts mit Hilfe eines Spektrometers 11.1 als Lichtanalyseeinheit.FIG. 5 shows a preferred embodiment of an analytical system according to the invention with a sensor platform 2 designed as a microtiter plate, a beam splitter 9.1 and approximately vertical illumination of the sensor platform 2 and detection of the sensor platform outgoing light in the direction of the reflection of the illumination light by means of a spectrometer 11.1 as a light analysis unit.
Figur 6 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen analytischen Systems mit einer als Miktrotiterplatte ausgebildetenFIG. 6 shows a preferred embodiment of an analytical system according to the invention with a microtiter plate
Sensorplattform 2, einem Strahlteiler 9.1 und etwa senkrechter Beleuchtung der Sensorplattform 2 sowie Detektion des von der Sensorplattform ausgehenden Lichts in Richtung der Reflexion des Beleuchtungslichts für unterschiedliche Polarisationen mit Hilfe von zwei Spektrometern 11.1 als Lichtanalyseeinheiten.Sensor platform 2, a beam splitter 9.1 and approximately vertical illumination of the sensor platform 2 and detection of the emanating from the sensor platform light in the direction of reflection of the illumination light for different polarizations using two spectrometers 11.1 as light analysis units.
Figur 7 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen analytischen Systems ähnlichen Aufbaus wie desjenigen der Figur 2 mit einer Sensorplattform 2, die als Prisma zur Erzeugung interner Totalreflexion oder als„Resonanter Spiegel" ausgebildet ist.FIG. 7 shows an embodiment of an analytical system according to the invention of similar construction to that of FIG. 2 with a sensor platform 2 which is designed as a prism for generating total internal reflection or as a "resonant mirror".
Figur 8 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen analytischen Systems ähnlich zu derjenigen von Figur 2, aber mit Detektion des von der Sensorplattform 2 ausgehenden Lichts in Transmissionsrichtung.FIG. 8 shows an embodiment of an analytical system according to the invention similar to that of FIG. 2, but with detection of the light emanating from the sensor platform 2 in the transmission direction.
Figur 9 zeigt am Beispiel einer Mikrotiterplatte als Sensorplattform mögliche Variationen des mittels eines räumlichen Lichtmodulators SLM auf der Sensorplattform erzeugbaren Beleuchtungsmusters, a) mit Beleuchtung eines einzigen Wells der Mikrotiterplatte, gekennzeichnet mit „S" und umgeben von einem schraffierten Quadrat; b) gleichzeitige Beleuchtung (gekennzeichnet durch schraffiertes Kreuz) von vier umgebenden Wells (bezeichnet mir „R").9 shows, using the example of a microtiter plate as sensor platform, possible variations of the illumination pattern that can be generated on the sensor platform by means of a spatial light modulator SLM a) with illumination of a single well of the microtiter plate, marked "S" and surrounded by a hatched square b) simultaneous illumination (FIG. marked by hatched cross) of four surrounding wells (labeled "R").
Figur 10 zeigt weitere auf der Sensorplattform erzeugbare Beleuchtungsmuster mit unterschiedlicher Geometrie: a) Ausleuchtung von Messbereichen in einem hexagonalen Muster; b) Beleuchtungsmuster aus konzentrischen Kreisringen; c) ein Beleuchtungsmuster mit einer beliebigen, irregulären Geometrie, wie sie beispielsweise der gezielten Beleuchtung von auf der Sensorplattform befindlichen biologischen Zellen entsprechen kann.FIG. 10 shows further illumination patterns with different geometries that can be generated on the sensor platform: a) Illumination of measurement areas in a hexagonal pattern; b) Illumination pattern off concentric circular rings; c) a lighting pattern with any irregular geometry, such as the targeted illumination of located on the sensor platform biological cells may correspond.
Figur 11 zeigt das Emissionsspektrum eines für die Beispiele 1 und 2 verwendeten Projektionssystems mit drei lichtemittierenden Dioden (LEDs) als Lichtquellen, mit zentralen Emissionswellenlängen 460 nm (blau), 520 nm (grün) und 627 nm (rot), wobei die spektrale Emissionsbreite der LEDs jeweils 20 nm bis 40 nm beträgt.FIG. 11 shows the emission spectrum of a projection system used for examples 1 and 2 with three light-emitting diodes (LEDs) as light sources, with central emission wavelengths 460 nm (blue), 520 nm (green) and 627 nm (red), the spectral emission width of the LEDs each 20 nm to 40 nm.
Figur 12 zeigt für vier unterschiedlich eingestellte Einfallswinkel 6.3, 6.4, 6.5 und 6.6 des Beleuchtungslichts auf die Sensorplattform die in Transmission aufgenommenen Spektren des TE-polahsierten Beleuchtungslichts der roten LED aus Figur 11.FIG. 12 shows, for four differently set angles of incidence 6.3, 6.4, 6.5 and 6.6 of the illumination light on the sensor platform, the spectra of the TE-poled illumination light of the red LED from FIG. 11 taken in transmission.
Figur 13 zeigt für zwei unterschiedlich eingestellte Einfallswinkel 6.1 und 6.2 des Beleuchtungslichts auf die Sensorplattform die in Transmission aufgenommenen Spektren des TM-polarisierten Beleuchtungslichts der roten LED aus Figur 11.FIG. 13 shows, for two differently set angles of incidence 6.1 and 6.2 of the illumination light on the sensor platform, the spectra of the TM-polarized illumination light of the red LED from FIG. 11 recorded in transmission.
Figur 14 zeigt für einen einzelnen eingestellten Einfallswinkel des Beleuchtungslichts auf die Sensorplattform das in Reflexionsrichtung aufgenommene Spektrum des TM-polarisierten Beleuchtungslichts der roten LED aus Figur 11.FIG. 14 shows, for a single set angle of incidence of the illumination light on the sensor platform, the spectrum of the TM-polarized illumination light of the red LED from FIG. 11 recorded in the reflection direction.
Ausführliche Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention
Im Sinne der vorliegenden Erfindung sollen Messbereiche jeweils durch die geschlossene Fläche definiert werden, die auf einer Sensorplattform zur Erfassung einer einzelnen Messgröße ausgewiesen ist, d.h. zur Erzeugung eines einzelnen Signalwertes verwendet wird. Beispielsweise kann die Sensorplattform als eine Mikrotiterplatte ausgebildet sein, mit einer Vielzahl matrixartig angeordneter Kavitäten (Wells) und einem Dünnschichtwellenleiter mit darin strukturierten Gittern als Boden.For the purposes of the present invention, measuring ranges are to be defined in each case by the closed surface which is located on a sensor platform for Detection of a single measured variable is identified, that is used to generate a single signal value. By way of example, the sensor platform can be designed as a microtiter plate, with a multiplicity of cavities (wells) arranged in the form of a matrix, and a thin-film waveguide with gratings structured therein as a bottom.
Beispielsweise kann dann die Bodenfläche eines einzelnen Wells einen Messbereich darstellen, auf dem der Brechungsindex einer in das Well eingefüllten Flüssigkeit durch eine refraktive Messung bestimmt wird. Die Bodenfläche eines einzelnen Wells kann aber auch der Erfassung einer Vielzahl von Messwerten zum gleichzeitigen Nachweis einer Vielzahl von Analyten in einer in ein einzelnes Well gefüllten Probe dienen. In Übereinstimmung mit der vorgenannten umfassenden Definition sollen dann Messbereiche durch die geschlossene Flächen definiert werden, die dort immobilisierte nachzuweisende Verbindungen oder dort immobilisierte spezifische Bindungspartner, zum Nachweis eines oder mehrerer Analyten in einer oder mehreren Proben in einem Bioaffinitätsassay, einnehmen. Diese Flächen können dabei eine beliebige Geometrie, beispielsweise die Form von Kreisen, Rechtecken, Dreiecken, Ellipsen etc., haben. Vorzugsweise handelt es sich bei den Messbereichen um eine Vielzahl von Messbereichen. Besonders bevorzugt werden diskrete, lateral oder räumlich getrennte Messbereiche.For example, the bottom surface of a single well can then represent a measuring range on which the refractive index of a liquid introduced into the well is determined by a refractive measurement. However, the bottom surface of a single well may also serve to detect a plurality of readings for simultaneously detecting a plurality of analytes in a sample filled into a single well. In accordance with the abovementioned comprehensive definition, measurement areas should then be defined by the closed areas which contain immobilized compounds to be detected or specific binding partners immobilized there, for the detection of one or more analytes in one or more samples in a bioaffinity assay. These surfaces can have any geometry, for example the shape of circles, rectangles, triangles, ellipses, etc. Preferably, the measuring ranges are a plurality of measuring ranges. Particularly preferred are discrete, laterally or spatially separated measuring ranges.
Vorzugsweise umfasst die Sensorplattform in einer ein- oder zweidimensionalen Anordnung mehr als 50, besonders bevorzugt mehr als 500, ganz besonders bevorzugt mehr als 50000 Messbereiche.Preferably, the sensor platform in a one- or two-dimensional arrangement comprises more than 50, more preferably more than 500, most preferably more than 50,000 measuring ranges.
Es gibt eine Vielzahl bekannter Arten oder Methoden zur Aufbringung bzw. Immobilisierung der nachzuweisenden Verbindungen oder spezifischen Bindungspartner auf einer Sensorplattform. Beispielsweise kann dieses durch physikalische Adsorption oder durch elektrostatische Wechselwirkung erfolgen. Die Orientierung der immobilisierten Verbindungen oder der spezifischen Bindungspartner ist dann im allgemeinen statistisch, so dass nur ein Teil von ihnen für eine Bindung mit einem in einer Probe zuzuführenden Bindungspartner zugänglich ist. Außerdem besteht die Gefahr, dass bei unterschiedlicher Zusammensetzung der den Analyten enthaltenden Probe oder der im Nachweisverfahren eingesetztenThere are a variety of known types or methods for applying or immobilizing the compounds or specific binding partners to be detected on a sensor platform. For example, this can be done by physical adsorption or by electrostatic interaction. The orientation of the immobilized compounds or the the specific binding partner is then generally random so that only a portion of them are accessible for binding with a binding partner to be delivered in a sample. In addition, there is a risk that with different composition of the sample containing the analyte or used in the detection method
Reagenzien ein Teil der immobilisierten Verbindungen oder Bindungspartner fortgespült wird. Daher kann es von Vorteil sein, wenn zwecks einer stabileren Immobilisierung auf der für die Signalerzeugung zu verwendenden Oberfläche der Sensorplattform eine Haftvermittlungsschicht aufgebracht ist. Diese Haftvermittlungsschicht sollte optisch transparent sein. Insbesondere im Falle von Evaneszentfeldsensorplattformen (siehe unten) wird bevorzugt, dass die Haftvermittlungsschicht nicht über die Eindringtiefe des evaneszenten Feldes aus der hochbrechenden Schicht der Sensorplattform in das daran angrenzende Medium hinausragt. Daher sollte die Haftvermittlungsschicht eine Stärke von weniger als 200 nm, vorzugsweise von weniger als 20 nm, haben. Sie kann beispielsweise chemische Verbindungen aus der Gruppe Silane, Epoxide, funktionalisierte, geladene oder polare Polymere und "selbstorganisierte funktionalisierte Monosen ichten" umfassen.Reagents a part of the immobilized compounds or binding partner is washed away. It may therefore be advantageous if, for the purpose of a more stable immobilization, an adhesion-promoting layer is applied to the surface of the sensor platform to be used for generating the signal. This adhesion-promoting layer should be optically transparent. Particularly in the case of evanescent field sensor platforms (see below), it is preferred that the adhesion-promoting layer does not project beyond the penetration depth of the evanescent field out of the high-index layer of the sensor platform into the medium adjacent thereto. Therefore, the primer layer should have a thickness of less than 200 nm, preferably less than 20 nm. It may comprise, for example, chemical compounds from the group of silanes, epoxides, functionalized, charged or polar polymers, and "self-assembled functionalized monomers."
Auf einer Sensorplattform zu immobilisierende Verbindungen oder spezifische Bindungspartner, insbesondere auch als zu immobilisierende spezifische Erkennungselemente sowie auch die nachzuweisenden Analyten sind vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe, welche von Nukleinsäuren (beispielsweise DNA, RNA, Oligonukleotiden), Nukleinsäureanalogen (z. B. PNA), Antikörpern, Aptameren, membran-gebundenen und isolierten Rezeptoren, deren Liganden, Antigenen für Antikörper, "Histidin-Tag- Komponenten", etc. gebildet wird. Es können auch ganze biologische Zellen oder Bestandteile davon auf einer Sensorplattform immobilisiert werden. Ein einzelner Messbereich auf einer Sensorplattform kann eine einzige Art von Verbindungen, beispielsweise zum Nachweis eines einzelnen Analyten in einer zuzuführenden Probe enthalten. Dieses wird im Falle von zu erzeugender "Capture-Arrays" bevorzugt. Ein einzelner Messbereich kann aber auch eine Vielzahl von unterschiedlichen Verbindungen enthalten. Dieses ist im Falle von "Reverse Arrays" der Fall, bei denen ein einzelner Messbereich jeweils durch die geschlossene Fläche auf der Sensorplattform gebildet wird, den eine dort immobilisierte Probe mit einer Vielzahl darin enthaltener und als Analyten nachzuweisender unterschiedlicher Verbindungen einnimmt.Compounds or specific binding partners to be immobilized on a sensor platform, in particular also as specific recognition elements to be immobilized, and also the analytes to be detected are preferably selected from the group consisting of nucleic acids (for example DNA, RNA, oligonucleotides), nucleic acid analogs (eg PNA), Antibodies, aptamers, membrane-bound and isolated receptors whose ligands, antigens for antibodies, "histidine tag components", etc. is formed. It is also possible to immobilize entire biological cells or components thereof on a sensor platform. A single measurement area on a sensor platform may contain a single type of compound, for example, to detect a single analyte in a sample to be delivered. This is preferred in the case of "capture arrays" to be generated. However, a single measurement range can also contain a large number of different compounds. This is the case in the case of "reverse arrays" in which a single measuring range is formed in each case by the closed surface on the sensor platform, which occupies a sample immobilized there with a plurality of different compounds contained therein and to be detected as analytes.
Als in das optische System des erfindungsgemäßen analytischen Systems einführbare Sensorplattform sind verschiedene Ausführungsformen von Sensorplattformen geeignet. Die Sensorplattform soll mindestens bei der Wellenlänge des Beleuchtungslichts im wesentlichen optisch transparent sein. Unter „im wesentlichen optisch transparent" als Eigenschaft der Sensorplattform, welche beispielsweise aus verschiedenen Schichten bestehen kann, soll dabei verstanden werden, dass Licht der Wellenlänge des Beleuchtungslichts bei Ausbreitung im Volumen des Materials oder eines Schichtmaterials der Sensorplattform über eine Distanz von 5 mm eine Abschwächung durch Absorption von nicht mehr als 80 % erfährt, vorzugsweise nicht mehr als 50%, besonders bevorzugt nicht mehr als 20%. Ausbreitungsverluste durch Grenzflächenstreuungen, beispielsweise bei Lichtleitung in einem Schichtwellenleiter infolge von Oberflächenrauhigkeiten oder Oberflächenstrukturierungen wie beispielsweise ein diffraktiv wirkendes Oberflächen-Reliefgitter, sollen bei dieser Definition von „im wesentlichen optischer Transparenz" nicht berücksichtigt werden, auch wenn sie die weitere Lichtausbreitung sogar unterbinden sollten. Die vorgenannte Forderung an die „im wesentlichen optische Transparenz" der Sensorplattform schließt hingegen beispielsweise Beschichtungen mit absorbierenden Metallen wie Gold oder Silber, wie sie beispielsweise für Sensorplattformen zur Erzeugung von Oberflächenplasmonenresonanzen verwendet werden und bei denen die Ausbreitung eines "eingekoppelten Lichts" nur über eine Länge in der Größenordnung einiger hundert Mikrometer stattfindet, und damit auch solche Sensorplattformen per se aus. Das Material der Sensorplattform umfasst vorzugsweise in einem Ein- oder Mehrschichtsystem ein Material aus der Gruppe, welche von im wesentlichen optisch transparenten Gläsern, Kunststoffen und Keramiken gebildet wird, wobei Schichten dieser Werkstoffe optional mit zusätzlichen Beschichtungen versehen sein können.As sensor platform insertable into the optical system of the analytical system according to the invention, various embodiments of sensor platforms are suitable. The sensor platform should be substantially optically transparent at least at the wavelength of the illumination light. By "essentially optically transparent" as a property of the sensor platform, which can consist of different layers, for example, it should be understood that light of the wavelength of the illumination light when propagating in the volume of the material or a layer material of the sensor platform over a distance of 5 mm, a weakening by absorption of not more than 80%, preferably not more than 50%, more preferably not more than 20%, propagation losses due to interfacial scattering, for example in light conduction in a sheet waveguide due to surface roughness or surface structuring such as a diffractive surface relief grating are not taken into account in this definition of "substantially optical transparency", even if they should even prevent the further propagation of light. By contrast, the aforementioned requirement for the "essentially optical transparency" of the sensor platform includes, for example, coatings with absorbing metals such as gold or silver, as they do For example, be used for sensor platforms for the generation of surface plasmon resonances and in which the propagation of a "coupled light" takes place only over a length of the order of a few hundred micrometers, and thus also such sensor platforms per se. The material of the sensor platform preferably comprises in a single-layer or multi-layer system a material from the group which is formed by substantially optically transparent glasses, plastics and ceramics, wherein layers of these materials may optionally be provided with additional coatings.
Es wird bevorzugt, dass die Seite der Sensorplattform, auf weicher die diskreten Messbereiche erzeugt sind, im wesentlichen planar ist. Dabei soll unter "im wesentlichen planar" verstanden werden, dass im Bereich der Messbereiche der Krümmungsradius der Oberfläche dieser Seite größer als 10 cm ist. Im Sinne dieser Definition wird beispielsweise auch eine als Mikrotiterplatte ausgebildete Ausführungsform einer Sensorplattform, mit den Bodenflächen der Wells als Messbereichen, als "im wesentlichen planar" angesehen, da die obige Definition für den Bereich dieser Messbereiche jeweils erfüllt ist. Außerdem wird bevorzugt, dass die Welligkeit der die Messbereiche umfassenden Oberfläche derIt is preferred that the side of the sensor platform on which the discrete measurement areas are created is substantially planar. In this case, "essentially planar" should be understood to mean that the radius of curvature of the surface of this side is greater than 10 cm in the region of the measuring ranges. For the purposes of this definition, for example, an embodiment of a sensor platform in the form of a microtiter plate, with the bottom surfaces of the wells as measuring regions, is also considered to be "substantially planar", since the above definition is fulfilled for the range of these measuring ranges. In addition, it is preferred that the ripple of the surface comprising the measuring areas of the
Sensorplattform im Bereich der Messbereiche geringer als 0.2 mm ist. Des weiteren wird bevorzugt, dass die Rauhigkeit der die Messbereiche umfassenden Oberfläche der Sensorplattform im Bereich der Messbereiche geringer als 20 nm, besonders bevorzugt weniger als 2 nm, ganz besonders bevorzugt weniger als 1 nm ist. Die Bevorzugung bezüglich der Oberflächenrauhigkeit gilt insbesondere für als Evaneszentfeld- Sensorplattformen ausgebildete Ausführungsformen (siehe unten), um Ausbreitungsverluste von Licht durch Streuung an der mit den Messbereichen versehenen Oberfläche zu minimieren. Vorsätzlich vorgenommene Oberflächenstrukturierungen, wie beispielsweise diffraktiv wirkende Oberflächen-Reliefgitter oder andere vorsätzlich aufgebrachte Oberflächenstrukturen, sollen bei dieser Bevorzugung hinsichtlich der „Oberflächenrauhigkeit" und bei deren Definition nicht berücksichtigt werden.Sensor platform in the range of the measuring ranges is less than 0.2 mm. Furthermore, it is preferred that the roughness of the surface of the sensor platform comprising the measurement areas is less than 20 nm, more preferably less than 2 nm, most preferably less than 1 nm in the region of the measurement areas. The preference for surface roughness applies in particular to embodiments designed as evanescent field sensor platforms (see below) in order to minimize propagation losses of light due to scattering at the surface provided with the measurement areas. Intentionally performed surface structuring, such as diffractive surface relief gratings or other deliberately applied Surface structures should not be taken into account in this preference with regard to the "surface roughness" and their definition.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen analytischen Systems ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorplattform als eine Evaneszentfeld-Sensorplattform ausgebildet ist.A preferred embodiment of the analytical system according to the invention is characterized in that the sensor platform is designed as an evanescent field sensor platform.
Dabei wird bevorzugt, dass die Sensorplattform ausgewählt ist aus derIt is preferred that the sensor platform is selected from the
Gruppe von Prismen zur Erzeugung interner Totalreflexion, selbsttragenden optischen Wellenleitern, optischen Dünnschichtwellenleitern, Dünnschichtwellenleitern mit darin strukturierten Gittern für die Lichteinkopplung und / oder Lichtauskopplung, resonanten Gitterstrukturen sowie „Resonanten Spiegeln".Group of prisms for generating total internal reflection, self-supporting optical waveguides, optical thin-film waveguides, thin-film waveguides with grids structured therein for light coupling and / or light outcoupling, resonant lattice structures and "resonant mirrors".
Für Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen analytischen Systems mit einem Dünnschichtwellenleiter oder einem Dünnschichtwellenleiter mit darin strukturierten Gittern als Evaneszentfeld-Sensorplattform wird bevorzugt, dass das Trägermaterial der wellenleitenden Schicht beziehungsweise die an die wellenleitende Schicht in Richtung der den Messbereichen abgewandten Seite der wellenleitenden Schicht angrenzende Schicht einen möglichst niedrigen Brechungsindex hat, da hierdurch die Ausbreitung des evaneszenten Feldes in Richtung der Messbereiche auf der gegenüberliegenden Seite der wellenleitenden Schicht günstig beeinflusst wird: Das Maximum der in einem optischen Wellenleiter geführten Intensität, bezogen auf den Querschnitt eines Schichtwellenleiters, ist im Falle einer asymmetrischen Verteilung der Brechungsindices der zur wellenleitenden Schicht benachbarten Schichten asymmetrisch in Richtung der Nachbarschicht mit dem höheren Brechungsindex angeordnet.For embodiments of an analytical system according to the invention with a thin-film waveguide or a thin-film waveguide with gratings structured therein as evanescent field sensor platform, it is preferred that the carrier material of the waveguiding layer or the layer adjacent to the waveguiding layer in the direction of the side of the waveguiding layer which faces away from the measuring regions has the lowest possible Refractive index has, since this is favorably influenced the propagation of the evanescent field in the direction of the measuring regions on the opposite side of the waveguiding layer: The maximum guided in an optical waveguide intensity, based on the cross section of a slab waveguide, in the case of an asymmetric distribution of refractive indices the layers adjacent to the waveguiding layer are arranged asymmetrically in the direction of the neighboring layer with the higher refractive index.
Vorzugsweise beträgt dabei der Brechungsindex des Trägermaterials bzw. der an die wellenleitende Schicht in Richtung der den Messbereichen abgewandten Seite der wellenleitenden Schicht angrenzenden Schicht weniger als 1.6, besonders bevorzugt weniger als 1.5, ganz besonders bevorzugt weniger als 1.4. Als Materialien mit entsprechend niedrigen Brechungsindices sind hierfür beispielsweise thermoplastische Materialien wie Polyvenylidenfluorid, Polymethylpenten, Cycloolefin-Copolymeren (COC) oder Cycloolefin-Polymeren (COP) und Mischungen von Polyvenylidenfluoriden und Polymethylmethacrylaten geeignet. Es sind sogar Fluoroplymere wie Fluoroacrylat mit einem Brechungsindex von weniger als 1.4 bekannt. Bei Verwendung der Sensorplattform für die Analyse von flüssigen oder wässrigen Proben sind Trägermaterialien mit möglichst geringer Flüssigkeits- bzw. Wasseraufnahme von Vorteil. Zugleich ist es vorteilhaft, wenn die wellenleitende Schicht einen möglichst hohen Brechungsindex hat, vorzugsweise höher als 1.8, besonders bevorzugt höher als 2.0. Als Materialien der wellenleitenden Schicht sind Metalloxide wie TiO2, Ta2O5, Nb2O5, ZnO, HfO2, ZrO2, TiO2-SiO2, AI2O3, Si3N4, HfON, SiON besonders gut geeignet. Derartige Ausführungsformen von Sensorplattformen, welche für ein erfindungsgemäßes analytisches System geeignet sind, sind auch in der US-Anmeldung Nr. 2005/0025421 mit den Figuren 13 (Herstellung einer „Microplate" entsprechend einerPreferably, the refractive index of the carrier material or the layer adjacent to the waveguiding layer in the direction of the side of the waveguiding layer which faces away from the measuring regions is less than 1.6, particularly preferably less than 1.5, very particularly preferably less than 1.4. As materials with correspondingly low refractive indices, thermoplastic materials such as polyvinylidene fluoride, polymethylpentene, cycloolefin copolymers (COC) or cycloolefin polymers (COP) and mixtures of polyvinylidene fluorides and polymethylmethacrylates are suitable for this purpose, for example. Even fluoroplymers such as fluoroacrylate having a refractive index of less than 1.4 are known. When using the sensor platform for the analysis of liquid or aqueous samples, carrier materials with the lowest possible liquid or water absorption are advantageous. At the same time, it is advantageous if the waveguiding layer has the highest possible refractive index, preferably higher than 1.8, particularly preferably higher than 2.0. As materials of the waveguiding layer, metal oxides such as TiO 2 , Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 , ZnO, HfO 2 , ZrO 2 , TiO 2 -SiO 2 , Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , HfON, SiON are particularly good suitable. Such embodiments of sensor platforms which are suitable for an analytical system according to the invention are also described in US Application No. 2005/0025421 with FIGS. 13 (production of a "microplate" corresponding to FIG
Mikrotiterplatte mit Dünnschichtwellenleitern mit darin strukturierten Gittern im Boden der Wells der Mikrotiterplatte), Figuren 7, 8 und 9 (Brechungsindex und Verteilung der Modenintensität, d.h. Intensität des geführten Lichts) beschrieben, welche hiermit vollumfänglich zusammen mit den zugehörigen Teilen der Beschreibung in diese Anmeldung eingeführt werden.Microtiter plate with thin-film waveguides with grids structured therein in the bottom of the wells of the microtiter plate), Figures 7, 8 and 9 (refractive index and distribution of mode intensity, ie intensity of the guided light), which are hereby incorporated in its entirety together with the corresponding parts of the description in this application become.
Bei refraktiven Messmethoden unter Verwendung einer Evaneszenzfeld- Sensorplattform wird die Änderung des sogenannten effektiven Brechungsindex aufgrund von Änderungen der Massenbelegung durch molekulare Adsorption oder Desorption auf der Sensorplattform oder Änderungen der makroskopischen Brechzahl eines umgebenden Mediums im evaneszenten Feld der Sensorplattform für einen Analytnachweis benutzt. Der effektive Brechungsindex ist abhängig vom makroskopischen Brechungsindex der hochbrechenden, wellenleitenden Schicht und deren Dicke, den Brechungsindices und Schichtdicken benachbarter Schichten oder Medien sowie von der Modenordnung des über das Gitter in die wellenleitende Schicht einzukoppelnden Lichts, der Polarisation (z. B. transversal elektrische (TE) oder transversal magnetische (TM) Polarisation) sowie der Wellenlänge eines eingestrahlten Beleuchtungslichts.In refractive measurement methods using an evanescent field sensor platform, the change in the so-called effective refractive index due to changes in mass occupancy due to molecular adsorption or desorption on the sensor platform or Changes in the macroscopic refractive index of a surrounding medium used in the evanescent field of the sensor platform for an analyte detection. The effective refractive index is dependent on the macroscopic refractive index of the high-refractive, waveguiding layer and its thickness, the refractive indices and layer thicknesses of adjacent layers or media, and on the mode order of the light to be coupled via the grating into the waveguiding layer, the polarization (eg transversally electrical (eg. TE) or transverse magnetic (TM) polarization) as well as the wavelength of an irradiated illumination light.
Die Änderungen des effektiven Brechungsindex führen, bei konstanter Wellenlänge des eingestrahlten Beleuchtungslichts, zu Änderungen des Resonanzwinkels bezüglich der Oberflächennormalen der Sensorplattform für die Lichteinkopplung oder -auskopplung aus einer Gitterkoppler- Sensorplattform. Diese Änderungen der Resonanzwinkel sind aus den Signalen und deren Änderungen, welche von dem Detektionssystem (umfassend einen oder mehrere Detektoren) des erfindungsgemäßen analytischen Systems geliefert werden, bestimmbar. Im Falle konstant gehaltenen Einstrahlwinkels des Beleuchtungslichts werden aus den entsprechenden Detektorsignalen, bei variablem oder über einen bestimmten spektralen Bereich (z. B. in der Größenordnung von 1 - 20 nm) polychromatischem Spektrum des Beleuchtungslichts, Änderungen der Resonanzwellenlänge für die Lichteinkopplung oder -auskopplung aus einer Gitterkoppler-Sensorplattform bestimmt. Der Stand der Technik zum Einsatz von Gitterkoppler-Sensorplattformen ist beispielsweise in den US-Patenten US 4,815,169, US 6,455,004 und US 6,429,022 sowie in den Publikationen K. Tiefenthaler, W. Lukosz, „Sensitivity of grating couplers as integrated- optical chemical sensors", J. Opt. Soc. Am. B6 (1989) 209 ff.; W. Lukosz, P.M. Nellen, C. Stamm, P. Weiss, „Output grating couplers on planar waveguides as integrated, optical chemical sensors", Sensors and Actuators B1 (1990) 585 ff. und T. Tamir, ST. Peng, "Analysis and design of grating couplers", Appl. Phys. 14 (1977) 235 - 254 beschrieben.The changes in the effective index of refraction, at a constant wavelength of incident illuminating light, result in changes in the resonance angle with respect to the surface normal of the sensor platform for light coupling in or out of a grating coupler sensor platform. These changes in resonance angles are determinable from the signals and their changes provided by the detection system (comprising one or more detectors) of the analytical system according to the invention. In the case of a constant angle of incidence of the illuminating light, changes in the resonance wavelength for the light coupling in or out of the corresponding detector signals, with a polychromatic spectrum of the illumination light being variable or over a certain spectral range (eg of the order of 1 to 20 nm), become apparent a grating coupler sensor platform determined. The state of the art in the use of grating coupler sensor platforms is described, for example, in US Pat. Nos. 4,815,169, 6,455,004 and 6,429,022, and in K. Tiefenthaler, W. Lukosz, "Sensitivity of grating couplers as integrated-optical chemical sensors". J. Opt. Soc. Am. B6 (1989) 209 et seq., W. Lukosz, PM Nellen, C. Stamm, P. Weiss, "Output grating couplers on planar waveguides as integrated, optical chemical sensors", Sensors and Actuators B1 (1990) 585 et seq. And T. Tamir, ST. Peng, "Analysis and design of grating couplers", Appl. Phys. 14 (1977) 235-254.
Zur Herstellung der Koppelgitter sind dem Fachmann beispielsweise der Einsatz von Spritzguss, Heißprägen, holographischer Belichtung oder sogenannte Nano-Imprint-Lithographie sowie die in der Anmeldeschrift US 2003/0017581 und in US-Patent 6,873,764 beschriebenen Techniken bekannt. Üblicherweise werden die Gitterstrukturen zunächst als Oberflächenstrukturen in einer Oberfläche des Substrats erzeugt, worauf in einem nachfolgenden Schritt direkt oder auf optionalen Zwischenschichten mindestens eine dielektrische Schicht mit bevorzugt höherer Brechzahl als derjenigen des Substrats und kontrollierter Schichtdicke (von beispielsweise 50 nm bis 500 nm) aufgebracht wird und sich typischerweise die auf dem Substrat erzeugte Struktur in die Oberfläche dieser dielektrischen Schicht beim Aufbringungsschritt überträgt „Resonant Mirror"-Sensorplattformen werden durch Aufbringung dielektrischer Schichten mit unterschiedlicher Brechzahl und genau definierter Schichtdicke auf zumindest bei der Wellenlänge des Beleuchtungslichts im wesentlichen optisch transparenten Substraten hergestellt.For the production of the coupling gratings, the person skilled in the art, for example, the use of injection molding, hot stamping, holographic exposure or so-called nanoimprint lithography and the techniques described in the patent application US 2003/0017581 and US Patent 6,873,764 known. Usually, the lattice structures are first produced as surface structures in a surface of the substrate, whereupon in a subsequent step, directly or on optional intermediate layers, at least one dielectric layer with preferably higher refractive index than the substrate and controlled layer thickness (of for example 50 nm to 500 nm) is applied and typically, the structure created on the substrate transmits to the surface of this dielectric layer in the deposition step. Resonant Mirror sensor platforms are fabricated by depositing dielectric layers of different refractive index and well-defined layer thickness on at least the wavelength of the illumination light in substantially optically transparent substrates.
Insbesondere zwecks Kompatibilität mit eingeführten Laborrobotern und der Standardausrüstung chemischer und analytischer Laboratorien ist es vorteilhaft, wenn die Sensorplattform die Grundabmessungen einer Mikrotiterplatte gemäß SBS-Standard (ca. 85.5 mm x 127.8 mm) hat oder als Bestandteil einer Mikrotiterplatte ausgebildet ist. Dieses schließt ein, dass die Sensorplattform selbst eine Mikrotiterplatte darstellen kann. Derartige Anordnungen sind auch in US 2005/0110989 (Fig. 2 - Fig. 6 und Fig. 14 - Fig. 16), US 5,738,825 (Fig. 1 - Fig. 3, Fig. 5 - Fig. 7) und US 6,018,388 (Figuren 1 - 4) beschrieben, deren benannte Figuren und zugehörige Beschreibungen hiermit vollumfänglich als Bestandteil der vorliegendenIn particular, for compatibility with established laboratory robots and the standard equipment of chemical and analytical laboratories, it is advantageous if the sensor platform has the basic dimensions of a microtiter plate according to SBS standard (about 85.5 mm x 127.8 mm) or is formed as part of a microtiter plate. This includes that the sensor platform itself can be a microtiter plate. Such arrangements are also disclosed in US 2005/0110989 (Figs. 2-6 and 14-16), US 5,738,825 (Figs. 1-3, 5-7) and US 6,018,388 (Figs. FIGS. 1-4), the named figures and associated descriptions of which are hereby incorporated in their entirety as part of the present invention
Anmeldung eingeführt werden. Wenn die Sensorplattform als Mikrotiterplatte ausgebildet ist, kann sie beispielsweise, entsprechend den industriellen Standardfertigungen, 96, 384 oder 1536 Probenbehältnisse oder „Wells" umfassen.Registration will be introduced. If the sensor platform as a microtiter plate For example, it may comprise 96, 384 or 1536 sample containers or "wells" according to standard industrial manufacturing.
Hinsichtlich der Anordnung zur zeitlich veränderbaren räumlichenWith regard to the arrangement for temporally variable spatial
Lichtmodulation wird bevorzugt, dass diese ausgewählt ist aus der Gruppe von „Digital Mirror Devices" DMD, Flüssigkristall-Displays LCD, „Liquid Cristal on Silicon Silicon" LCOS Mikrodisplays und mechanisch bewegbaren Masken mit lichtdurchlässigen und lichtblockierenden Bereichen.Light modulation is preferred to be selected from the group of "Digital Mirror Devices" DMD, Liquid Crystal Displays LCD, "Liquid Cristal on Silicon Silicon" LCOS microdisplays, and mechanically movable masks with light transmissive and light blocking regions.
Es wird bevorzugt, dass die Anordnung zur zeitlich veränderbaren räumlichen Lichtmodulation eine Vielzahl diskret für die Weiterleitung zur Sensorplattform oder Blockade des Beleuchtungslichts schaltbarer Einzelelemente in einer ein- oder zweidimensionalen Anordnung umfasst. Dabei wird bevorzugt, dass mindestens eines dieser Einzelelemente einem Messbereich entspricht. Besonders bevorzugt wird, dass ein Messbereich von mehreren dieser Einzelelemente beleuchtet wird. Bei der Verwendung mehrerer Einzelelemente pro Messbereich kann das Beleuchtungsmuster besser und einfacher an die genaue Form der Messbereiche, wie beispielsweise Rechtecke, Dreiecke, Kreise, hexagonale Formen oder beliebige Formen, wie sie beispielsweise bei der Messung von Zellen auftreten können, angenähert und eine Beleuchtung von Bereichen, welche nicht zu den Messbereichen gehören, weitgehend vermieden werden, was zu einem verbesserten Signal-zu-Rauschen-Verhältnis führt.It is preferred that the arrangement for temporally variable spatial light modulation comprises a plurality of discretely for the transmission to the sensor platform or blockade of the illumination light switchable individual elements in a one- or two-dimensional arrangement. It is preferred that at least one of these individual elements corresponds to a measuring range. It is particularly preferred that a measuring range is illuminated by a plurality of these individual elements. By using a plurality of individual elements per measurement range, the illumination pattern can be better and more easily approximated to the exact shape of the measurement areas, such as rectangles, triangles, circles, hexagonal shapes, or any shapes, such as those found in cell measurement, and illumination of Areas that do not belong to the measurement areas, are largely avoided, resulting in an improved signal-to-noise ratio.
Es können aber auch jeweils ein oder mehrere Einzelelemente zur Beleuchtung von Bereichen zwischen den Messbereichen verwendet werden, beispielsweise zur Erzeugung von Hintergrund-Signalen (Background-Signalen), Kalibrierungssignalen oder Referenzierungssignalen, welche zur Auswertung der Signale aus den Messbereichen verwendet werden können. Dabei wird besonders bevorzugt, dass die Anordnung zur zeitlich veränderbaren räumlichen Lichtmodulation eine Vielzahl diskret für die Weiterleitung zur Sensorplattform oder Blockade des Beleuchtungslichts schaltbarer Einzelelemente in einer zweidimensionalen Anordnung umfasst. Vorzugsweise handelt es ich dabei um mehr als 100 x 100 diskret schaltbare Einzelemente in einer zweidimensionalen Anordnung.However, in each case one or more individual elements can be used to illuminate areas between the measuring areas, for example for generating background signals, calibration signals or referencing signals, which can be used to evaluate the signals from the measuring areas. It is particularly preferred that the arrangement for temporally variable spatial light modulation comprises a plurality discrete for the forwarding to the sensor platform or blockade of the illumination light switchable individual elements in a two-dimensional arrangement. Preferably, this involves more than 100 × 100 discretely switchable individual elements in a two-dimensional arrangement.
Das von der Anordnung zur zeitlich veränderbaren räumlichen Lichtmodulation erzeugte Beleuchtungsmuster umfasst eine Vielzahl von beleuchteten oder abgeschatteten Bereichen im Querschnitt des Strahlengangs des Beleuchtungslichts und auf der Sensorplattform, welche nachfolgend auch als "Pixel des Beleuchtungslichts" bezeichnet werden.The illumination pattern generated by the temporally variable spatial light modulation arrangement comprises a plurality of illuminated or shadowed areas in the cross section of the illumination light beam path and on the sensor platform, which are also referred to as "illumination light pixels" below.
Außerdem ist es vorteilhaft, wenn ein Einzelelement der Anordnung zur zeitlich veränderbaren räumlichen Lichtmodulation eine Schaltzeit von weniger als 20 msec für den Wechsel zwischen Positionen oder Einstellungen für Weiterleitung zur Sensorplattform oder Blockade des Beleuchtungslichts aufweist.In addition, it is advantageous if a single element of the temporally variable spatial light modulation arrangement has a switching time of less than 20 msec for switching between positions or settings for forwarding to the sensor platform or blocking the illumination light.
Insbesondere für Messungen an auf der Sensorplattform immobilisierten Zellen ist es vorteilhaft, wenn die Anordnung zur zeitlich schnell veränderbaren räumlichen Lichtmodulation die Erzeugung von schnell veränderbaren Beleuchtungsmustern auf der Sensorplattform ermöglicht, womit zeitlich in ihrer Geometrie sich verändernde Objekte als sich in ihrer Geometrie zeitlich verändernde Messbereiche auf der Sensorplattform gezielt beleuchtet und von diesen Objekten ausgehendes Licht detektiert werden kann.In particular for measurements on cells immobilized on the sensor platform, it is advantageous if the arrangement for temporally rapidly variable spatial light modulation enables the generation of rapidly variable illumination patterns on the sensor platform, whereby temporally in their geometry changing objects than in their geometry time-varying measuring ranges the sensor platform can be specifically illuminated and light emanating from these objects can be detected.
Das Beleuchtungssystem des erfindungsgemäßen analytischen Systems kann eine oder mehrere polychromatische oder im wesentlichen monochromatische Lichtquellen umfassen. Dabei soll unter einer „im wesentlichen monochromatischen" Lichtquelle eine solche Lichtquelle verstanden werden, deren spektrale Emissionsbreite weniger als 5 nm beträgt.The illumination system of the analytical system according to the invention may be one or more polychromatic or substantially comprise monochromatic light sources. It should be understood by a "substantially monochromatic" light source such a light source whose spectral emission width is less than 5 nm.
Die eine oder mehreren polychromatischen oder im wesentlichen monochromatischen Lichtquellen können ausgewählt sein aus der Gruppe von Lasern, „Vertical Cavity Surface emitting Lasers" VCSEL, kantenemittierenden Laserdioden, Superlumineszenten Dioden SLD, lichtemittierenden Dioden LED, organischen lichtemittierenden Dioden (OLED), Gasentladungslampen und Glühlampen.The one or more polychromatic or substantially monochromatic light sources may be selected from the group of lasers, vertical cavity surface emitting lasers VCSEL, edge emitting laser diodes, superluminescent diodes SLD, LED light emitting diodes, organic light emitting diodes (OLED), gas discharge lamps and incandescent lamps.
Es wird bevorzugt, dass das Beleuchtungssystem im optischen Strahlengang vor Eintritt des Beleuchtungslichts in die Anordnung zur zeitlich veränderbaren räumlichen Lichtmodulation optische oder elektrooptische Komponenten zur Herstellung einer über den Beleuchtungsquerschnitt homogenen Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts umfasst, wobei diese Komponenten vorzugsweise ausgewählt sind aus der Gruppe von optischen Projektionssystemen, Mikrolinsen-Arrays, „Lichttunneln" und „Lichtstäben" oder großflächig emittierenden Lichtquellen mit einer Vielzahl von Einzel-Lichtquellen wie LEDs oder OLEDs unterschiedlicher oder gleicher Emissionswellenlänge, deren Gesamtemission mithilfe diffraktiv oder refraktiv wirkender Komponenten zu einer homogenen Lichtverteilung geformt wird. Es können auch Anordnungen großflächiger homogener Beleuchtungssysteme mit Flüssigkristall-Displays verwendet werden. Dabei wird das Licht einer stabförmigen Lichtquelle in einen planaren Lichtleiter eingekoppelt, in welchem das Licht innerhalb des Lichtleiters durch totale interne Reflexion geführt wird. An einer Oberfläche des Lichtleiters sind diffraktive Strukturen aufgebracht, welche einen Teil des Lichtes aus dem Lichtleiter gezielt herausleiten. Bei geeigneter Wahl der diffraktiven Strukturen wirkt die Oberfläche des Lichtleiters als nahezu homogene Lichtquelle. Durch ein an der Oberfläche angebrachtes Flüssigkristall-Display kann die Lichtintensität der homogenen Beleuchtung räumlich moduliert werden. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise in US-Patent Nr. 6,976,779 beschrieben.It is preferred that the illumination system in the optical beam path before entry of the illumination light into the arrangement for temporally variable spatial light modulation comprises optical or electro-optical components for producing a uniform over the illumination cross-section intensity distribution of the illumination light, these components are preferably selected from the group of optical projection systems , Microlens arrays, "light tunnels" and "light bars" or large-area emitting light sources with a variety of single light sources such as LEDs or OLEDs of different or the same emission wavelength, the total emission is formed using diffractive or refractive components to a homogeneous light distribution. Arrangements of large area homogeneous illumination systems with liquid crystal displays can also be used. In this case, the light of a rod-shaped light source is coupled into a planar light guide, in which the light is guided within the light guide by total internal reflection. On a surface of the light guide diffractive structures are applied, which selectively direct a portion of the light from the light guide. With a suitable choice of the diffractive structures acts Surface of the light guide as a nearly homogeneous light source. By means of a surface-mounted liquid crystal display, the light intensity of the homogeneous illumination can be spatially modulated. Such an arrangement is described, for example, in US Pat. No. 6,976,779.
"Lichtstäbe" oder „Lichttunnel", wie beispielsweise LightTunnel™ (Unaxis, Balzers, Liechtenstein), werden in handelsüblichen Projektionssystemen verwendet und basieren auf folgendem Funktionsprinzip: Das Licht einer oder mehrerer Lichtquellen wird in eine Stirnseite der als „Lichttunnel" oder "Lichtstab" bezeichneten und als Hohlkörper ausgebildeten, vorzugsweise quader- oder zylinderförmigen optischen Komponente fokussiert, deren optische Innenseiten verspiegelt sind. Dabei werden als "Lichtstäbe" solche vorzugsweise quader- oder zylinderförmigen Körper bezeichnet, welche ein transparentes Material - meist Glas oder Kunststoff - umfassen und in denen Lichtleitung durch interne Totalreflexion (TIR) erfolgt. Nach mehrfachen Reflexionen an den Innenseiten eines solchen „Lichttunnels" oder "Lichtstabs" weist das an der gegenüberliegenden Stirnseite austretende Licht eine erhöhte Homogenität der Intensitätsverteilung über den Beleuchtungsquerschnitt auf."Light bars" or "light tunnels", such as LightTunnel ™ (Unaxis, Balzers, Liechtenstein), are used in commercially available projection systems and are based on the following functional principle: The light from one or more light sources is placed in one end of the "light tunnel" or "light bar" designated and designed as a hollow body, preferably cuboid or cylindrical optical component focused whose optical insides are mirrored. Here are referred to as "light bars" preferably cuboid or cylindrical body, which comprise a transparent material - usually glass or plastic - and in which light conduction by total internal reflection (TIR) occurs. After multiple reflections on the insides of such a "light tunnel" or "light bar", the light exiting at the opposite end side has an increased homogeneity of the intensity distribution over the illumination cross section.
Außerdem kann es von Vorteil sein, wenn im optischen Strahlengang des Beleuchtungslichts vor Eintritt des Beleuchtungslichts in die Anordnung zur zeitlich veränderbaren räumlichen Lichtmodulation oder im weiteren Strahlengang in Richtung der Sensorplattform telezentrisch wirkende optische Komponenten angeordnet sind. Telezenthsche Linsen, wie sie beispielsweise in US-Patent 6,324,016 (siehe Figuren 1 - 6) beschrieben sind, ermöglichen die Beseitigung perspektivischer Störungen und eine verbesserte Abbildung von außerhalb der optischen Achse eines optischen Systems angeordneten Objekten. Die Offenbarung der Figuren 1 - 6 von US-Patent 6,324,016 wird zusammen mit den zugehörigen Teilen der Beschreibung hiermit vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung eingeführt.In addition, it may be advantageous if telecentrically acting optical components are arranged in the optical beam path of the illumination light before the illumination light enters the arrangement for temporally variable spatial light modulation or in the further beam path in the direction of the sensor platform. Telescopic lenses, as described, for example, in US Pat. No. 6,324,016 (see FIGS. 1-6), enable the elimination of perspective perturbations and improved imaging of objects located outside the optical axis of an optical system. The disclosure of FIGS. 1-6 of US Pat. No. 6,324,016, together with the associated parts of US Pat Description hereby incorporated in full in the present application.
Für den Fall nicht senkrechten, sondern eines von Null verschiedenen Einstrahlungswinkels (gemessen von der Oberflächennormalen der im wesentlichen planaren Sensorplattform) des Beleuchtungslichts auf die Sensorplattform, d.h. schrägen Lichteinfalls, kann es vorteilhaft sein, wenn das optische System Vorkehrungen für Korrekturen zur Kompensation schrägen Lichteinfalls nach Scheimpflug umfasst, wie sie beispielsweise in Standardlehrbüchern für die Photographie beschrieben sind.In the case of non-perpendicular, but a non-zero angle of incidence (measured from the surface normal of the substantially planar sensor platform) of the illumination light on the sensor platform, i. oblique light incidence, it may be advantageous if the optical system includes provisions for corrections to compensate for oblique incidence of light after Scheimpflug, as described for example in standard textbooks for photography.
Das Detektionssystem des erfindungsgemäßen analytischen Systems kann eine oder mehrere Detektionseinheiten aus der Gruppe von Photodioden, Photomultipliern, Avalanche-Dioden, CMOS-Arrays und CCD-Kameras umfassen.The detection system of the analytical system according to the invention may comprise one or more detection units from the group of photodiodes, photomultipliers, avalanche diodes, CMOS arrays and CCD cameras.
Es wird bevorzugt, dass das Detektionssystem eine oder mehrere spektral aufspaltende elektrooptische Komponenten für eine spektral selektive Detektion des von den Messbereichen ausgehenden Lichts umfasst. Dabei kann es sich beispielsweise um Spektrometer, spektral selektive optische Filter wie Kurz- oder Langpassfilter, optische Breitbandfilter oder an Laser- Emissionslinien angepasste sogenannte Notch-Filter handeln.It is preferred that the detection system comprises one or more spectrally splitting electro-optical components for a spectrally selective detection of the light emanating from the measurement areas. These may, for example, be spectrometers, spectrally selective optical filters such as short or long-pass filters, broadband optical filters or so-called notch filters adapted to laser emission lines.
Es wird bevorzugt, dass das Beleuchtungssystem und / oder das Detektionssystem polarisationsselektive Komponenten im Strahlengang umfassen. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die polarisationsselektiv wirkenden Komponenten die Unterscheidung transversal elektrisch (TE) und transversal magnetisch (TM) polarisierten Lichts, welches von den Messbereichen auf der Sensorplattform ausgeht, ermöglichen. Des weiteren werden solche Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen analytischen Systems bevorzugt, welche dadurch gekennzeichnet sind, dass aus den Signalen der einen oder mehreren Detektoren und deren Änderungen der Brechungsindex und / oder die Dicke einer adsorbierten Schicht oder deren Änderungen in oder auf den Messbereichen auf der Sensorplattform bestimmbar sind. Dabei kann es sich beispielsweise um den makroskopischen Brechungsindex einer mit einem oder mehreren Messbereichen in Kontakt gebrachten Flüssigkeit oder um dessen Änderungen handeln.It is preferred that the illumination system and / or the detection system comprise polarization-selective components in the beam path. It is particularly advantageous if the polarization-selective components allow the distinction between transversely electric (TE) and transverse magnetic (TM) polarized light, which emanates from the measuring ranges on the sensor platform. Furthermore, preferred embodiments of an analytical system according to the invention are those which are characterized in that the refractive index and / or the thickness of an adsorbed layer or its changes in or on the measurement areas on the sensor platform can be determined from the signals of the one or more detectors and their changes are. This may be, for example, the macroscopic refractive index of a liquid brought into contact with one or more measurement areas or its changes.
Es wird bevorzugt, dass das mittels des Detektionssystems detektierte Licht analysiert wird, wobei bevorzugt die Intensität oder das Intensitätsmuster ausgewertet wird. Beispielsweise kann im Falle einer Resonanzkurve das gemessene Signal mittels unterschiedlichsten dem Fachmann bekannte Methoden ausgewertet werden, wie beispielsweise in US 4'815'843 (Spalte 6, letzter Abschnitt etc.) beschrieben. Besonders bevorzugt sind jedoch Methoden deren Auswertemethode und damit ermittelte Ergebnisse nahezu oder sogar vollständig unbeeinflusst von den absolut gemessenen Intensitäten auf dem Detektor sind. In US 6429022 (Fig. 12) ist ein Beispiel gegeben, wie ein beliebiges gemessenes Intensitätsmuster verwendet werden kann. Hieraus leitet sich auch eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung und Messung von optischen Signalen und / oder deren Änderungen ab, welches sich dadurch auszeichnet, dass mithilfe des Detektionssystems mit mindestens einerIt is preferred that the light detected by the detection system be analyzed, wherein preferably the intensity or the intensity pattern is evaluated. For example, in the case of a resonance curve, the measured signal can be evaluated by a variety of methods known to those skilled in the art, as described, for example, in US Pat. No. 4,815,843 (column 6, last section, etc.). However, methods whose evaluation method and thus determined results are almost or even completely unaffected by the absolutely measured intensities on the detector are particularly preferred. In US 6429022 (Figure 12), an example is given of how any measured intensity pattern can be used. From this, a preferred embodiment of a method according to the invention for generating and measuring optical signals and / or their changes is derived, which is characterized in that with the aid of the detection system with at least one
Detektionseinheit eine Helligkeitsverteilung der Signale gemessen wird, und dass diese Helligkeitsverteilung unabhängig von gemessenen absoluten Signalintensitäten analysiert wird (siehe hierzu auch in einem in dieser Beschreibung später nachfolgenden Abschnitt). Generell sind bei der Auswertung der mithilfe des Detektionssystems gemessenen Lichtintensität Methoden von Vorteil, bei welchen die gesuchte Messgröße, beispielsweise die Position einer Resonanzkurve, mithilfe von Methoden ermittelt werden kann, bei welchen das bei der Analyse bevorzugte Verfahren kaum oder gar nicht von der absolut gemessenen Intensität, sondern durch eine nahezu oder vollständig intensitätsunabhängige Methode ermittelt werden kann, wie beispielsweise in den nachfolgend beschriebenen Methoden zur Bestimmung der Position der Resonanzkurve.Detection unit, a brightness distribution of the signals is measured, and that this brightness distribution is analyzed independently of measured absolute signal intensities (see also in a subsequent later in this description section). In general, when evaluating the light intensity measured by means of the detection system, methods are advantageous in which the sought measured variable, for example the position of a resonance curve, can be determined by methods in which the method preferred in the analysis hardly or not at all Intensity, but by a nearly or completely intensity-independent method can be determined, such as in the methods described below for determining the position of the resonance curve.
Im Beispiel einer Resonanzkurve beruht eine bevorzugte Methode zur Bestimmung der Veränderung der Position der Resonanz darauf, dass die Intensität auf den Flanken der Resonanzkurve gemessen wird. Unter Verwendung der ersten Ableitung der Resonanzkurve kann aus der Veränderung der Intensität des detektieren Lichtes die Veränderung der Position der Resonanzkurve berechnet werden. Aus der Veränderung der Position der Resonanzkurve lässt sich dann beispielsweise die Veränderung der effektiven Brechzahl ermitteln und berechnen, wie beispielsweise im Stand der Technik zum Einsatz von Gitterkoppler- Sensorplattformen beschrieben wird.In the example of a resonance curve, a preferred method for determining the change in the position of the resonance is based on measuring the intensity on the flanks of the resonance curve. Using the first derivative of the resonance curve, the change in the position of the resonance curve can be calculated from the change in the intensity of the detected light. From the change in the position of the resonance curve, it is then possible, for example, to determine and calculate the change in the effective refractive index, as described, for example, in the prior art for the use of grating coupler sensor platforms.
Eine weitere bevorzugte Methode zur Bestimmung der Veränderung der Position einer Resonanzkurve basiert auf der Ermittelung des Schwerpunktes der gemessenen Resonanzkurve, welcher eindeutige Rückschlüsse auf die Position der Resonzkurve zulässt. Bei einer kleinen Veränderung der Resonanzposition verändert sich der Schwerpunkt entsprechend.Another preferred method for determining the change in the position of a resonance curve is based on the determination of the center of gravity of the measured resonance curve, which allows unambiguous conclusions about the position of the resonance curve. With a small change in the resonance position, the center of gravity changes accordingly.
Eine weitere bevorzugte Methode zur Bestimmung der Position einer Resonanzkurve beruht auf der Verwendung einer Modellkurve, beispielsweise einer Lorentz- oder Gauss-Kurve. Mithilfe numerischer Verfahren wird die Modellkurve an die gemessene Kurve angepasst, was auch als 'numerisches Fitten' bekannt ist. Kommerzielle Software für das Fitten von Modellkurven wird beispielsweise von OriginLab (Northampton, MA 01060, USA) angeboten. Aus der Position der Modellkurve kann die gesuchte Position der gemessenen Resonanzkurve bestimmt werden.Another preferred method for determining the position of a resonance curve is based on the use of a model curve, such as a Lorentz or Gaussian curve. Using numeric Method is adapted the model curve to the measured curve, which is also known as 'numeric fitting'. Commercial software for fitting model curves is offered, for example, by OriginLab (Northampton, MA 01060, USA). From the position of the model curve, the sought position of the measured resonance curve can be determined.
Besonders bevorzugt werden solche Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen analytischen Systems, beispielsweise Evaneszentfeld- Sensorplattformen, welche es ermöglichen, dass aus den Signalen der einen oder mehreren Detektoren und / oder deren Änderungen der effektive Brechungsindex und / oder dessen Änderungen in oder auf den Messbereichen auf der Sensorplattform bestimmbar sind.Such embodiments of an analytical system according to the invention, for example evanescent field sensor platforms, which make it possible to determine from the signals of the one or more detectors and / or their changes the effective refractive index and / or its changes in or on the measurement areas on the sensor platform are.
Dabei ist eine mögliche Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass aus den Signalen der einen oder mehreren Detektoren und deren Änderungen der Resonanzwinkel zur Einkopplung von Beleuchtungslicht in einen Dünnschichtwellenleiter über ein darin strukturiertes Gitter und / oder Änderungen eines solchen Resonanzwinkels bezüglich der Flächennormalen der Sensorplattform, bei konstanter eingestrahlter Wellenlänge des Beleuchtungslichts, bestimmbar sind.In this case, a possible embodiment is characterized in that from the signals of the one or more detectors and their changes, the resonance angle for coupling illumination light into a thin-film waveguide via a grid structured therein and / or changes such a resonance angle with respect to the surface normal of the sensor platform, with constant einstrahlter Wavelength of the illumination light, can be determined.
Eine andere mögliche Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass aus den Signalen der einen oder mehreren Detektoren und deren Änderungen die Resonanzwellenlänge zur Einkopplung von Beleuchtungslicht in einen Dünnschichtwellenleiter über ein darin strukturiertes Gitter und / oder Änderungen einer solchen Resonanzwellenlänge, bei konstantem Einstrahlungswinkel des Beleuchtungslichts bezüglich der Flächennormalen der Sensorplattform, bestimmbar sind. Die Einstrahlung des Beleuchtungslichts und Detektion des von den Messbereichen ausgehenden Lichts können von entgegengesetzten Seiten, bezüglich der Oberfläche der Sensorplattform mit den darauf befindlichen Messbereichen erfolgen. Vorzugsweise jedoch erfolgen die Einstrahlung des Beleuchtungslichts und Erfassung des von den Messbereichen ausgehenden Lichts auf derselben Seite besagter Oberfläche.Another possible embodiment is characterized in that from the signals of the one or more detectors and their changes the resonant wavelength for coupling illumination light into a thin film waveguide over a grid structured therein and / or changes such a resonant wavelength, with constant irradiation angle of the illumination light with respect to the surface normal the sensor platform, are determinable. The irradiation of the illumination light and detection of the light emanating from the measurement areas can take place from opposite sides, relative to the surface of the sensor platform with the measurement areas located thereon. Preferably, however, the irradiation of the illumination light and the detection of the light emanating from the measurement areas take place on the same side of said surface.
Der Einstrahlungswinkel des Beleuchtungslichts auf die Sensorplattform kann im Bereich von -90° bis +90° liegen (+90° und -90° dabei gleichbedeutend mit "parallel zur Oberfläche der Sensorplattform"), wobei der Winkelbereich zwischen -60° und +60° bevorzugt wird. Das Beleuchtungslicht kann polarisiert sein, beispielsweise transversal elektrisch (TE) oder transversal magnetisch (TM) polarisiert. Im Falle von TM- polarisiertem Beleuchtungslicht wird ein Einstrahlungswinkel nahe des Brewster-Winkels für den Lichteintritt des Beleuchtungslichts in die Sensorplattform auf deren den Messbereichen abgewandten Oberflächenseite besonders bevorzugt, da bei diesem Einstrahlungswinkel keine Fresnel-Reflexionen von dieser Grenzfläche der Sensorplattform auftreten.The angle of incidence of the illumination light on the sensor platform can be in the range of -90 ° to + 90 ° (+ 90 ° and -90 ° where "parallel to the surface of the sensor platform"), with the angle range between -60 ° and + 60 ° is preferred. The illumination light may be polarized, for example transversely electrically (TE) or transversely magnetically (TM) polarized. In the case of TM polarized illumination light, an angle of incidence near the Brewster angle for the light entrance of the illumination light into the sensor platform on its surface side facing away from the measurement areas is particularly preferred since no Fresnel reflections from this interface of the sensor platform occur at this angle of incidence.
Im Falle der Einstrahlung des Beleuchtungslichts und Erfassung des von den Messbereichen ausgehenden Lichts auf derselben Seite bezüglich der Oberfläche der Sensorplattform mit den darauf befindlichen Messbereichen erfolgt die Detektion gleichgerichtet zur Reflexionsrichtung des Beleuchtungslichts, also ebenfalls in einem Winkelbereich zwischen -90° und +90°, wobei ein Winkelbereich zwischen -60° und +60° bevorzugt wird und für den Fall TM-polarisierten Beleuchtungslicht die Detektion unter dem Brewsterwinkel wiederum besonders bevorzugt wird.In the case of irradiation of the illumination light and detection of the light emitted by the measuring areas light on the same side with respect to the surface of the sensor platform with the measurement areas located thereon detection is rectified to the reflection direction of the illumination light, ie also in an angular range between -90 ° and + 90 °, an angle range between -60 ° and + 60 ° is preferred, and in the case of TM-polarized illumination light, detection below the Brewster angle is again particularly preferred.
Eine solche Konfiguration eines erfindungsgemäßen analytischen Systems ist in Figur 1 illustriert. Das Beleuchtungssystem 1 des erfindungsgemäßen analytischen Systems besteht aus einer Beleuchtungseinheit 8, welche eine Lichtquelle und eine als „SLM" bezeichnete Anordnung zur zeitlich schnell veränderbaren räumlichen Lichtmodulation umfasst, und einer Beleuchtungsoptik 9. Das Beleuchtungslicht 4 wird gemäß dieser Darstellung unter einem Einstrahlungswinkel 6 von etwa 45° zur Oberflächennormalen der Rückseite, d.h. der den Messbereichen abgewandten Seite der Sensorplattform 2, eingestrahlt. Die Messbereiche (nicht dargestellt) befinden sich auf der in der Bildebene oberen, gegenüberliegenden Seitenoberfläche der Sensorplattform 2. Mit den gebogenen Pfeilen 12 und 12' ist den Messbereichen zugeführte und nach Wechselwirkung mit den Messbereichen wieder abgeführte Proben-, Test-, Kalibrations- oder Referenzbereitstellung in flüssiger oder gasförmiger Form angedeutet. Der Detektionswinkel 7 zur Detektion des von der Sensorplattform 2 bzw. den darauf angeordneten Messbereichen ausgehenden Lichts ist gleich dem Reflexionswinkel, also etwa 45° in diesem Fall, gewählt. Das Detektionssystem 3 umfasst eine Lichtsammeioptik 10, beispielsweise eine oder mehrere Sammellinsen, und eine Detektionseinheit 11.Such a configuration of an analytical system according to the invention is illustrated in FIG. The illumination system 1 of the invention Analytical system consists of a lighting unit 8, which comprises a light source and an arrangement referred to as "SLM" for temporally fast variable spatial light modulation, and an illumination optical system 9. The illumination light 4 is according to this representation at an angle of incidence 6 of about 45 ° to the surface normal of The measuring areas (not shown) are located on the upper, opposite side surface of the sensor platform 2 with the curved arrows 12 and 12 'is supplied to the measuring areas and after interaction The detection angle 7 for detecting the light emanating from the sensor platform 2 or the measuring areas arranged thereon is equal to the reflection angle, that is about 45 ° in this case, chosen. The detection system 3 comprises a light collection optics 10, for example one or more collection lenses, and a detection unit 11.
Eine zu der in Figur 1 analoge Konfiguration, bei der jedoch dasAn analogous to that in Figure 1 configuration, but in which
Detektionssystem nicht in Reflexions-, sondern in Transmissionsrichtung angeordnet ist, ist in Figur 4 dargestellt.Detection system is not arranged in reflection, but in the transmission direction is shown in Figure 4.
Figur 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen analytischen Systems. Die Beleuchtungseinheit 8 umfasst eine Lichtquelle 8.1 , eine elektrooptische Einheit 8.2 zur Erzeugung einer über den Beleuchtungsquerschnitt homogenen Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts. Die elektrooptische Einheit 8.2 umfasst vorzugsweise auch ein telezentrisches optisches Abbildungssystem. Das über den Beleuchtungsquerschnitt in seiner Intensität homogenisierte Licht wird im Beleuchtungsstrahlengang nachfolgend über einen Umlenkspiegel 8.3, zwecks Ermöglichung einer kompakten Bauweise, in die als SLM bezeichnete Anordnung 8.4 zur zeitlich veränderbaren räumlich Lichtmodulation geleitet. Die Verwendung von „Digital Mirror Devices" DMD ist für viele Anwendungen vorteilhaft, da die Polarisationseigenschaften des Lichts durch die Spiegeloberfläche kaum beeinflusst werden. In der Konfiguration gemäß Figur 2 wird beispielsweise ein DMD von Texas Instruments Inc. (Piano, Texas, USA) verwendet. Die ca. 13 μm x 13 μm großen Mikrospiegel dieses DMD können individuell in ihrer Position zwischen +12° und -12° hin- und hergeschaltet werden, wobei eine Geschwindigkeit von bis zu 16300 frames/sec bei einer Größe des DMD von 1024 x 768 Pixeln (Einzelspiegeln) erreicht werden kann.FIG. 2 shows a preferred embodiment of an analytical system according to the invention. The illumination unit 8 comprises a light source 8.1, an electro-optical unit 8.2 for generating a homogeneous over the illumination cross-section intensity distribution of the illumination light. The electro-optical unit 8.2 preferably also comprises a telecentric optical imaging system. The homogenized in its intensity over the illumination cross section light is in the illumination beam path subsequently via a deflection mirror 8.3, in order to allow a compact design, directed in the designated as SLM arrangement 8.4 for temporally variable spatial light modulation. The use of "Digital Mirror Devices" DMD is advantageous for many applications because the polarization properties of the light are hardly affected by the mirror surface In the configuration of Figure 2, for example, a DMD from Texas Instruments Inc. (Piano, Texas, USA) is used The approximately 13 μm x 13 μm micromirrors of this DMD can be individually switched between + 12 ° and -12 ° in their position, with a speed of up to 16300 frames / sec with a DMD of 1024 x 768 pixels (individual mirrors) can be achieved.
Im optischen Strahlengang nach dem DMD (in Richtung Sensorplattform) kann ein optisches Modul bestehend aus Prismen (bezeichnet als „TIR- Prisma") verwendet werden, um das Licht in Richtung Beleuchtungsoptik 9 durchtreten zu lassen (ON-Status des Pixels des Beleuchtungslichts) oder durch totale interne Reflexion (TIR) zu blockieren (OFF-Status des Pixels des Beleuchtungslichts). Licht, welches durch das DMD als SML und ein optionales zusätzliches TIR-Phsma hindurchtritt, wird durch die Beleuchtungsoptik 9 weiter auf die Sensorplattform 2 gelenkt. Vorzugsweise umfasst die Beleuchtungsoptik 9 telezenthsch wirkende optische Komponenten, welche eine gute Kontrolle des Einfallswinkels auf der Sensorplattform 2 und der numerischen Apertur des Beleuchtungslichtbündels ermöglichen. Telezentrische Beleuchtungsoptiken können Linsensysteme oder Spiegel, wie in US-Patent 6,324,016 beschrieben, umfassen.In the optical path after the DMD (towards the sensor platform), an optical module consisting of prisms (referred to as "TIR prism") may be used to pass the light toward the illumination optics 9 (ON state of the illuminating light pixel) or TIR, which passes through the DMD as SML and an optional additional TIR-phsma, is further directed onto the sensor platform 2 by the illumination optics 9. Preferably the illumination optics 9 provide telecenter optical components which allow good control of the angle of incidence on the sensor platform 2 and the numerical aperture of the illuminating beam 10. Telecentric illumination optics may include lens systems or mirrors as described in US Patent 6,324,016.
Die Sensorplattform kann unter einem Einfallswinkel von 0°, d.h. parallel zur Oberflächennormalen der im wesentlichen planaren Sensorplattform, beleuchtet werden. Im Falle eines deutlich von Null verschiedenen Einfallswinkels können zusätzlich Vorkehrungen für Korrekturen zur Kompensation des schrägen Lichteinfalls nach Scheimpflug im Beleuchtungsstrahlengang vorgesehen sein.The sensor platform can be illuminated at an angle of incidence of 0 °, ie parallel to the surface normal of the substantially planar sensor platform. In the case of a non-zero angle of incidence additional provisions for corrections may be made Compensation of the oblique incidence of light after Scheimpflug be provided in the illumination beam path.
Insbesondere zur Verbesserung des Signal-zu-Rausch- und / oder des Signal-zu-Hintergrund-Verhältnisses der mit dem analytischen System zu generierenden Messsignale können zusätzlich Filter wie Polarisationsfilter, räumliche Filter und spektrale Filter im Beleuchtungsstrahlengang und / oder im Detektionsstrahlengang eingesetzt werden. Die gleichzeitige Verwendung zweier unterschiedlicher Polarisationen (TE- und TM-Polarisation) ermöglicht die Gewinnung zusätzlicher Informationen, wie zuerst in US- Patent Nr. 4,815,843 und später auch in US-Patent Nr. US 5,442,169 sowie in der Anmeldung US 2005/0070027 beschrieben. Beispielsweise können mithilfe der Signale von Dünnschichtwellenleitern mit darin strukturierten Gittern aus den gleichzeitig oder sequentiell gemessenen Signalen bei TE- und TM-Polarisation Änderungen in der optischen Brechzahl des Mediums oberhalb der Sensorplattform und Schichtdickenänderungen an der Oberfläche der Sensorplattform unterschieden werden. Um die beiden Polarisationen zu messen, kann das gemessene optische Spektrum analysiert werden, indem das zu erwartende Spektrum für unterschiedliche Polarisationen mit Hilfe mathematischer Modelle berechnet und mit dem gemessenen Spektrum verglichen wird, was eine Zuordnung der charakteristischen Eigenschaften des gemessenen Spektrums, wie beispielsweise von "Peaks", zu den unterschiedlichen Polarisationen ermöglicht. Die Polarisationen können auch separat detektiert werden unter Verwendung von polarisierenden Komponenten, wie beispielsweiseIn particular, for improving the signal-to-noise and / or the signal-to-background ratio of the measurement signals to be generated with the analytical system, filters such as polarization filters, spatial filters and spectral filters in the illumination beam path and / or in the detection beam path can additionally be used. Simultaneous use of two different polarizations (TE and TM polarization) allows additional information to be obtained, as first described in US Pat. No. 4,815,843 and later also in US Pat. No. 5,442,169 and in the application US 2005/0070027. For example, with the signals of thin film waveguides having gratings patterned therein, from the simultaneously or sequentially measured signals at TE and TM polarization, changes in the optical refractive index of the medium above the sensor platform and layer thickness changes at the surface of the sensor platform can be distinguished. To measure the two polarizations, the measured optical spectrum can be analyzed by calculating the expected spectrum for different polarizations with the aid of mathematical models and comparing them with the measured spectrum, which assigns the characteristic properties of the measured spectrum, such as " Peaks ", allowing for different polarizations. The polarizations can also be detected separately using polarizing components, such as
Polarisatoren oder polarisierenden Strahlteilern, im Beleuchtungssystem und / oder Detektionssystem. In Figur 6 ist die Möglichkeit der Trennung von s- und p-polarisiertem Licht durch einen polarisierenden Strahlteiler und die anschließende Einkopplung des nach Polarisation aufgetrennten Lichts in optische Fasern zur nachfolgenden getrennten Detektion der Spektren des TE- und des TM-polarisierten Lichts illustriert. In einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen analytischen Systems wird eine Messanordnung gemäß Fig. 8 aus dem Patent US 4,815,843 verwendet, welche hiermit zusammen mit dem zugehörigen Teil der Beschreibung als Bestandteil der vorliegenden Anmeldung eingeführt wird.Polarizers or polarizing beam splitters, in the lighting system and / or detection system. Figure 6 illustrates the possibility of separating s- and p-polarized light by a polarizing beam splitter and then coupling the polarized light into optical fibers for subsequent separate detection of the spectra of the TE and TM polarized light. In a preferred Embodiment of an analytical system according to the invention, a measuring arrangement according to FIG. 8 from the US Pat. No. 4,815,843 is used, which is hereby introduced together with the associated part of the description as part of the present application.
Zur Detektion des von der Sensorplattform ausgehenden Lichts wird vorzugsweise eine Kombination aus einer Lichtsammel-Optik 10 und einer Detektionseinheit 11 verwendet, wie in allgemeinster Form in Figur 1 für die Detektion in zur Reflexion gleichgerichteten Richtung und in Fig. 4 für die Detektion in Transmissionsrichtung in allgemeinster Form dargestellt.For detecting the light emanating from the sensor platform, a combination of a light collecting optics 10 and a detection unit 11 is preferably used, as in the most general form in FIG. 1 for the detection in the direction rectified for reflection and in FIG. 4 for the detection in the transmission direction in FIG represented in the most general form.
Bei kleinen Einstrahlungswinkeln 6 und Detektionswinkeln 7 wird vorzugsweise ein Strahlteiler 9.1 verwendet, um das eingestrahlte Beleuchtungslicht von dem von der Sensorplattform ausgehenden Licht zu trennen und das Beleuchtungslicht unter dem geeignetenAt small angles of incidence 6 and detection angles 7, a beam splitter 9.1 is preferably used to separate the incident illumination light from the light emanating from the sensor platform and to illuminate the illumination light below the appropriate one
Einstrahlungswinkel auf die Sensorplattform zu lenken sowie das von der Sensorplattform ausgehende Licht zur Detektionseinheit zu lenken, wie in den Figuren 2, 5 und 6 dargestellt.To direct irradiation angle on the sensor platform and to direct the outgoing of the sensor platform light to the detection unit, as shown in Figures 2, 5 and 6.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen analytischen Systems, wie sie in Figur 2 dargestellt ist, wird von der Sensorplattform 2 in Reflexionsrichtung ausgehendes Licht von einer Lichtsammeioptik 10, beispielsweise einer optischen Linse, auf ein Ende einer optischen Faser 10.1 fokussiert und durch diese Stirnfläche der Faser in diese eingekoppelt und anschließend zur Detektionseinheit 11 geleitet. Vorzugsweise umfasst die Detektionseinheit 11 ein Spektrometer, in dem das gesammelte, von der Sensorplattform 2 ausgehende Licht spektral analysiert werden kann.In a preferred embodiment of the analytical system according to the invention, as shown in FIG. 2, light emanating from the sensor platform 2 in the reflection direction is focused by a light collecting optics 10, for example an optical lens, onto one end of an optical fiber 10.1 and through this end face of the fiber coupled into this and then passed to the detection unit 11. Preferably, the detection unit 11 comprises a spectrometer, in which the collected light emanating from the sensor platform 2 can be spectrally analyzed.
Die Winkelverteilung des von der Lichtsammel-Optik 10 zu erfassenden, von der Sensorplattform 2 ausgehenden Lichts kann durch geeignete Wahl der optischen Eigenschaften, beispielsweise der numerischen Apertur, der Lichtsammel-Optik 10,verändert und festgelegt werden. Für Sensorplattformen basierend auf refraktiven Messprinzipien, d.h. insbesondere für sogenannte labelfrei arbeitende Sensorplattformen, werden schmale Winkelbereiche, d.h. kleine Öffnungswinkel der Lichtkegel, welche von dem von der Sensorplattform 2 ausgehenden Licht gebildet werden, bevorzugt. Insbesondere Lichtbündel mit einem schmalen Öffnungswinkel können optimal in eine optische Faser eingekoppelt werden, indem das Lichtbündel auf eine Endfläche der Faser fokussiert wird, welche im Abstand der Brennweite der Lichtsammel-Optik 10, also z. B. einer Sammellinse, angeordnet ist.The angular distribution of the light to be detected by the light-collecting optics 10 and emanating from the sensor platform 2 can be determined by a suitable choice of the optical properties, for example the numerical aperture Light collecting optics 10, modified and fixed. For sensor platforms based on refractive measurement principles, ie in particular for so-called label-free operating sensor platforms, narrow angular ranges, ie small aperture angles of the light cones, which are formed by the light emanating from the sensor platform 2, are preferred. In particular, light bundles with a narrow aperture angle can be optimally coupled into an optical fiber by the light beam is focused on an end face of the fiber, which at a distance from the focal length of the light-collecting optics 10, ie z. B. a converging lens is arranged.
Die spektralen Eigenschaften des von der Sensorplattform ausgehenden Lichts können verwendet werden, um Informationen über die Oberflächenbeschaffenheit, d.h. insbesondere die Oberflächenbelegung, der Sensorplattform und damit auch Informationen über chemische, biochemische oder biologische Vorgänge, insbesondere Bindungs- oder Adsorptions- oder Desorptionsvorgänge an der Oberfläche der Sensorplattform, zu erhalten. Die hierfür erforderlichen Auswertetechniken und mathematischen Modelle sind in den vorangehend genannten Patenten und Patentanmeldungen offenbart und dem Fachmann auch aus seinem allgemeinen Fachwissen und einschlägigen Lehrbüchern bekannt . Bekannte mathematische Modelle sind beispielsweise die "Rigorous Coupled Wave Analysis" (RCWA), welche oft auch als "Fourier Modal Method" (FMM) bezeichnet wird, und in M. G. Moharam and T.K. Gaylord, "Diffraction analysis of dielectric surface-relief gratings", J. Opt. Soc. Am., 72 (1997) 1385-1392, oder in J. Turnen, "Diffraction theory of microrelief gratings", in Microoptics, H. P. Herzig, editor, Taylor s Francis Inc., (1997) verwendet wird und beschrieben ist. Weitere mathematische Modelle sind die S-und R-Matrizen Methode, welche im Detail in Lifeng Li, "Formulation and comparison of two recursive matrix algohthms for modeling layered diffraction gratings", J. Opt. Soc. Am. A, Vol. 13, 5, 1996 beschrieben ist, sowie die C-Methode welche in Lifeng Li, Jean Chandezon, Gerard Granet, Jean-Pierre Plumey, "Rigorous and efficient grating-analysis method made easy for optical engineers", Appl. Opt., 38 (1999) 304-313, beschrieben ist, das als "Equivalent Source Method" bezeichnete Verfahren, welches in A.V. Tischenko, M. Hamdoun, and O. Parriaux, "Two-dimensional coupled mode equation for grating waveguide excitation by a focused beam", Opt. Quantum Electon. Special Issue on Workshop WTNM, Nottingham, 2001 beschrieben ist sowie Methoden welche in R. H. Morf, "Exponentially convergent and numerically efficient Solution for Maxwell's equations of lammelar gratings", J. Opt. Soc. Am. A, Vol. 12, 1043-1056, 1995 beschrieben sind. Die genannten Modelle, Methoden und Verfahren und deren Beschreibungen in den vorgenannten Publikationen werden hiermit vollumfänglich als Bestandteil der vorliegenden Anmeldung eingeführt.The spectral properties of the light emanating from the sensor platform can be used to obtain information about the surface condition, in particular the surface coverage, of the sensor platform and thus also information about chemical, biochemical or biological processes, in particular binding or adsorption or desorption processes on the surface of the sensor Sensor platform, to get. The evaluation techniques and mathematical models required for this purpose are disclosed in the aforementioned patents and patent applications and known to the person skilled in the art also from his general knowledge and relevant textbooks. Known mathematical models are, for example, the "Rigorous Coupled Wave Analysis" (RCWA), which is often referred to as "Fourier Modal Method" (FMM), and MG Moharam and TK Gaylord, "Diffraction analysis of dielectric surface-relief gratings", J. Opt. Soc. Am., 72 (1997) 1385-1392, or in J. Turnen, "Diffraction theory of microrelief gratings", in Microoptics, HP Herzig, editor, Taylor's Francis Inc., (1997). Further mathematical models are the S and R matrices, which are described in detail in Lifeng Li, "Formulation and comparison of two recursive matrix algorithms for modeling layered diffraction gratings", J. Opt. Soc. At the. A, Vol. 13, 5, 1996, as well as the C-method described in Lifeng Li, Jean Chandezon, Gerard Granet, Jean-Pierre Plumey, "Rigorous and efficient grating-analysis method made easy for optical engineers", Appl. Opt., 38 (1999) 304-313, the method referred to as "Equivalent Source Method" which is described in AV Tischenko, M. Hamdoun, and O. Parriaux, "Two-dimensional coupled mode equation for grating waveguide excitation by a focused beam ", Opt. Quantum Electon. Special Issue on Workshop WTNM, Nottingham, 2001, as well as methods described in RH Morf, "Exponentially convergent and numerically efficient solution to Maxwell's equations of lammelar gratings", J. Opt. Soc. At the. A, Vol. 12, 1043-1056, 1995. The above models, methods and methods and their descriptions in the aforementioned publications are hereby incorporated in their entirety as part of the present application.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen analytischen Systems ist in Figur 5 dargestellt. Die optischen Komponenten des Beleuchtungssystems und des Detektionssystems stimmen weitgehend mit denjenigen der Ausführungsform gemäß Figur 2 überein. Die Beleuchtungseinheit umfasst eine Lichtquelle 8.1 und einen im Strahlengang rückseitigen Spiegel 8.5, vorzugsweise als Parabolspiegel ausgebildet. Das von der Lichtquelle 8.1 emittierte Licht wird homogenisiert, indem mit Hilfe eines Linsensystems 8.6 das Licht auf die Stirnseite eines „Lichttunnels" oder „Lichtstabes" 8.7 fokussiert wird. Infolge von Mehrfachreflexionen innerhalb des „Lichttunnels" oder „Lichtstabes" 8.7 ist die Intensitätsverteilung des Lichtes an dessen Austrittsöffnung nahezu homogen und wird durch ein Prismensystem 8.8, vorzugsweise ein TIR- Prisma, auf einen räumlichen Lichtmodulator 8.4 als SMM, vorzugsweise ein Digital Mirror Device (DMD), gelenkt. Ein räumlicher Filter 8.9 kann zum Beeinflussen der numerischen Apertur und der Winkelverteilung der in Richtung der Sensorplattform 2 fortschreitenden Lichtstrahlen vor oder nach dem räumlichen Lichtmodulator 8.4 eingesetzt werden. Ein räumlicher Filter besteht im wesentlichen aus einer Aperturblende, welche im Strahlengang eingeführt wird. Das vom räumlichen Filter 8.9 kommende Licht ist im wesentlichen unpolarisiert, was in der Figur 5 mit zwei zueinander senkrechten, ausgefüllten Pfeilen entsprechend den Lichtpolarisationsrichtungen innerhalb eines Kreises dargestellt ist, während die Hauptausbreitungsrichtung des Lichtes durch einen nicht ausgefüllten Pfeil dargestellt ist, weicher den Kreis umschliesst. Das Licht wird mittels eines Linsensystems 9.2 kollimiert und auf einen Strahlteiler 9.1 , vorzugsweise einen polarisierenden Strahlteiler, gelenkt .welcher bevorzugt nur eine Polarisationsrichtung transmittiert. Die Sensorplattform 2, vorzugsweise eine Evaneszentfeld-Sensorplattform mit Gitterstrukturen, welche eine in ein oder zwei Dimensionen ausgebildete Periodizität der Gitterlinien aufweisen, wird mit dem vorzugsweise nach dem Strahlteiler 9.1 polarisierten Licht beleuchtet. Die Gitterlinien der Sensorplattform sind in einem Winkel von vorzugsweise 45° zur Polarisationsrichtung ausgerichtet, was durch den einzelnen ausgefüllten Doppelpfeil angedeutet ist, der im Beleuchtungsstrahlengang die Polarisation des Beleuchtungslichts vor der Sensorplattform symbolisiert. Das von der Sensorplatte ausgehende bzw. reflektierte Licht ist nach der Wechselwirkung mit der Gitter-Wellenleiter- Struktur transversal elektrisch (TE) und / oder transversal magnetisch (TM) polarisiert und weist eine im Vergleich zum Beleuchtungslicht um 45° gedrehte Polarisationsrichtung (angedeutet durch den in der Zeichenebene horizontalen Doppelpfeil) auf und wird im folgenden als von der Sensorplattform ausgehendes Licht oder „Signal-Licht" bezeichnet. Die Polarisationsrichtung und die Ausbreitungsrichtung des Lichtes werden jeweils durch die Pfeile in Figur 5 dargestellt.Another preferred embodiment of the analytical system according to the invention is shown in FIG. The optical components of the illumination system and of the detection system are largely identical to those of the embodiment according to FIG. The lighting unit comprises a light source 8.1 and a rear mirror 8 in the beam path, preferably formed as a parabolic mirror. The light emitted by the light source 8.1 light is homogenized by using a lens system 8.6 the light is focused on the face of a "light tunnel" or "light rod" 8.7. As a result of multiple reflections within the "light tunnel" or "light bar" 8.7, the intensity distribution of the light at its outlet opening is almost homogeneous and is detected by a prism system 8.8, preferably a TIR prism, on a spatial light modulator 8.4 as SMM, preferably a digital mirror device ( DMD), steered. A spatial filter 8.9 can be used for influencing the numerical aperture and the angular distribution of the light beams advancing in the direction of the sensor platform 2 before or after the spatial light modulator 8.4. A spatial filter consists essentially of an aperture diaphragm, which is introduced in the beam path. The light coming from the spatial filter 8.9 is essentially unpolarized, which is shown in FIG. 5 with two mutually perpendicular, solid arrows corresponding to the Lichtpolarisationsrichtungen within a circle, while the Hauptausbreitungsrichtung of the light is represented by an open arrow, which encloses the circle , The light is collimated by means of a lens system 9.2 and directed to a beam splitter 9.1, preferably a polarizing beam splitter, which preferably transmits only one polarization direction. The sensor platform 2, preferably an evanescent field sensor platform with grating structures, which have a periodicity of the grating lines formed in one or two dimensions, is illuminated with the preferably polarized light after the beam splitter 9.1. The grid lines of the sensor platform are aligned at an angle of preferably 45 ° to the polarization direction, which is indicated by the single filled double arrow, which symbolizes the polarization of the illumination light in front of the sensor platform in the illumination beam path. The light emanating from the sensor plate is polarized transversely (TE) and / or transversely magnetically (TM) after interaction with the grating waveguide structure and has a direction of polarization rotated by 45 ° relative to the illuminating light (indicated by in the drawing plane horizontal double arrow) and is referred to hereinafter as light emanating from the sensor platform or "signal light." The direction of polarization and the propagation direction of the light are each represented by the arrows in FIG.
Licht, welches keine Wechselwirkung, beispielsweise durch Reflexion oder Einkopplung in die Gitter-Wellenleiterstruktur, Leitung im Wellenleiter und nachfolgende Auskopplung erfahren hat, wird nachfolgend als „Streulicht" bezeichnet. Das Streulicht weist im allgemeinen die gleiche Polarisation wie das eingestrahlte Beleuchtungslicht auf.Light which has undergone no interaction, for example by reflection or coupling into the grating waveguide structure, conduction in the waveguide and subsequent decoupling, is hereinafter referred to as "scattered light" designated. The scattered light generally has the same polarization as the irradiated illumination light.
Die Lichtanteile, welche eine Wechselwirkung mit der Sensorplattform erfahren haben, d.h. im Falle einer Sensorplattform basierend auf einer Gitter-Wellenleiter-Struktur, werden in dieser Anmeldung als das „von der Sensorplattform ausgehende Licht" bezeichnet.The light components that have interacted with the sensor platform, i. in the case of a sensor platform based on a grating waveguide structure, in this application are referred to as the "outgoing from the sensor platform light".
Das von der Sensorplattform ausgehende Licht wird durch den polarisierenden Strahlteiler 9.1 auf ein Linsensystem 10.2 als Bestandteil der Lichtsammeioptik gelenkt. Dabei wird nur das durch Wechselwirkung mit der Sensorplattform in seiner Polarisationsrichtung geänderte „Signal-Licht" auf das Linsensystem 10.2 gelenkt, während das in seiner Polarisationsrichtung in wesentlichen unveränderte „Streulicht" durch den polarisierenden Strahlteiler 9.1 transmittiert wird. Dadurch wird das „Signal- Licht" vom „Streulicht" getrennt, was zu einer Verbesserung des Signal-zuRauschen-Verhältnisses führen kann. Diese Konfiguration wird auch oft als System mit „gekreuzten Polarisatoren" bezeichnet. Das „Signal-Licht" wird mittels eines Linsensystems 10.2 in eine optische Faser 10.1 gelenkt und zu einer Lichtanalyseeinheit 11.1 , beispielsweise einem Spektrometer, als Bestandteil einer Detektionseinheit, geführt. In der Figur ist eine typische Spektralkurve (gemessene Intensität l(λ) als Funktion der Wellenlänge λ), wie sie durch Reflexion an einer Gitter-Wellenleiter-Struktur entstehen kann, schematisch dargestellt.The light emanating from the sensor platform is directed by the polarizing beam splitter 9.1 onto a lens system 10.2 as part of the light collection optics. In this case, only the "signal light" changed by its interaction with the sensor platform in its polarization direction is directed onto the lens system 10.2, while the essentially unchanged "scattered light" in its polarization direction is transmitted through the polarizing beam splitter 9.1. As a result, the "signal light" is separated from the "scattered light", which can lead to an improvement of the signal-to-noise ratio. This configuration is also often referred to as "crossed polarizers." The "signal light" is directed by means of a lens system 10.2 into an optical fiber 10.1 and guided to a light analysis unit 11.1, for example a spectrometer, as part of a detection unit. In the figure, a typical spectral curve (measured intensity l (λ) as a function of the wavelength λ), as may arise from reflection on a grating-waveguide structure, is shown schematically.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen analytischen Systems ist in Figur 6 dargestellt. Die optischen Komponenten des Beleuchtungssystems und des Detektionssystems stimmen weitgehend mit denjenigen der Ausführungsformen gemäß den Figuren 2 und 5 überein. Das vom Linsensystem 9.2 kommende unpolahsierte Licht wird mittels eines Strahlteilers 9.1 auf die Sensorplattform 2 gelenkt. Das von der Sensorplattform 2 ausgehende bzw. reflektierte Licht wird durch den Strahlteiler 9.1 transmittiert und mittels eines Linsensystems 10.2 und eines Umlenkspiegels 10.3, durch dessen Verwendung sich eine kompaktere Bauweise realisieren lässt, auf einen polarisierenden Strahlteiler 10.4 gelenkt. Der polarisierende Strahlteiler 10.4 trennt die beidenAnother preferred embodiment of an analytical system according to the invention is shown in FIG. The optical components of the illumination system and of the detection system are largely identical to those of the embodiments according to FIGS. 2 and 5. The unpolarized light coming from the lens system 9.2 is directed onto the sensor platform 2 by means of a beam splitter 9.1. That of the Sensor platform 2 outgoing or reflected light is transmitted through the beam splitter 9.1 and by means of a lens system 10.2 and a deflecting mirror 10.3, through the use of which a more compact design can be realized, directed to a polarizing beam splitter 10.4. The polarizing beam splitter 10.4 separates the two
Polarisationsrichtungen des auf ihn auftreffenden Lichts. Die beiden Polarisationsrichtungen werden getrennt in optische Fasern 10.1 eingekoppelt, welche das Licht zur Lichtanalyseeinheit 11.1 , beispielsweise zu mehreren Spektrometern zur Detektion der Spektren für unterschiedliche Polarisationen, führen. In der Figur sind typische Spektralkurven, wie sie durch Reflexion an einer Gitter-Wellenleiter-Struktur entstehen können, für TE und TM Polarisation schematisch dargestellt.Polarization directions of the incident light on him. The two polarization directions are coupled separately into optical fibers 10.1, which guide the light to the light analysis unit 11.1, for example to several spectrometers for the detection of the spectra for different polarizations. In the figure, typical spectral curves, as may arise from reflection on a grating-waveguide structure, are shown schematically for TE and TM polarization.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen analytischen Systems ist in Figur 7 dargestellt. Die optischen Komponenten des Beleuchtungssystems und des Detektionssystems stimmen weitgehend mit denjenigen der Ausführungsform der Figur 2 überein. Die Ausführungsform gemäß Figur 7 zeichnet sich dadurch aus, dass hier als Sensorplattform 2 ein Prisma zur Erzeugung interner Totalreflexion oder ein „Resonanter Spiegel" verwendet wird.Another preferred embodiment of an analytical system according to the invention is shown in FIG. The optical components of the illumination system and the detection system are largely identical to those of the embodiment of FIG. The embodiment according to FIG. 7 is characterized in that a prism for generating total internal reflection or a "resonant mirror" is used here as sensor platform 2.
Figur 8 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen analytischen Systems, bei der die Sensorplattform 2 als eine Mikrotiterplatte bzw. als deren Bestandteil ausgebildet ist. Außerdem werden in dieser Ausführungsform die Einstrahlung des Beleuchtungslichts und die Detektion des von der Sensorplattform ausgehenden Lichts auf entgegengesetzten Seiten der Sensorplattform, also in einer Transmissionslicht- oder Durchlichtanordnung, vorgenommen.FIG. 8 shows a further preferred embodiment of an analytical system according to the invention, in which the sensor platform 2 is designed as a microtiter plate or as its component. In addition, in this embodiment, the irradiation of the illumination light and the detection of the outgoing of the sensor platform light on opposite sides of the sensor platform, ie in a transmission light or transmitted light arrangement made.
Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen analytischen Systems zeichnet sich dadurch aus, dass das Beleuchtungssystem zwei oder mehr Anordnungen zur zeitlich schnell veränderbaren räumlichen Lichtmodulation umfasst. Eine solche Ausführungsform zeichnet sich vorteilhaft durch eine Vergrößerung der räumlichen Auflösung des auf der Sensorplattform zu erzeugenden Beleuchtungsmusters und / oder durch eine weitere mögliche Erhöhung der Auslesegeschwindigkeit der von der Sensorplattform ausgehenden Lichtsignale, bei Korrelation der Detektionsschritte mit der Lichtmodulation durch die zwei oder mehreren SLMs, aus. Diese Ausführungsform wird besonders in Kombination mit als Mikrotiterplatten ausgebildeten Sensorplattformen bevorzugt.Another embodiment of an analytical system according to the invention is characterized in that the illumination system has two or more arrangements for time-varying spatial light modulation. Such an embodiment is advantageously characterized by an increase in the spatial resolution of the illumination pattern to be generated on the sensor platform and / or by a further possible increase in the readout speed of the light signals emanating from the sensor platform, when the detection steps with the light modulation by the two or more SLMs are correlated. out. This embodiment is particularly preferred in combination with sensor platforms designed as microtiter plates.
Die Figuren 9a und 9b zeigen, am Beispiel einer Mikrotiterplatte mit 96 Wells, mögliche Variationen des auf der Sensorplattform erzeugten Beleuchtungsmusters, wobei dieses optimal an die Geometrie der Messbereiche auf der Sensorplattform angepasst werden kann. In Figur 9a ist die Ausleuchtung eines einzelnen Messbereichs, welcher hier gleichbedeutend mit einem einzelnen Well der Mikrotiterplatte ist, dargestellt. Das Beleuchtungsmuster ist hier illustriert durch ein schraffiertes Quadrat um einen mit „S" bezeichneten Messbereich (Well) der Sensorplattform. Figur 9b illustriert die gleichzeitige Beleuchtung (schraffiertes Kreuz) von 4 umgebenden Messbereichen (Wells), welche beispielsweise zur Erhebung von Referenzmessungen verwendet werden und mit „R" bezeichnet sind.Figures 9a and 9b show, using the example of a microtiter plate with 96 wells, possible variations of the illumination pattern generated on the sensor platform, which can be optimally adapted to the geometry of the measuring areas on the sensor platform. FIG. 9 a shows the illumination of a single measuring range, which here is equivalent to a single well of the microtiter plate. The illumination pattern is illustrated here by a hatched square around a measurement area (well) of the sensor platform denoted by "S." Figure 9b illustrates the simultaneous illumination (hatched cross) of 4 surrounding measurement areas (wells) which are used, for example, to obtain reference measurements and denoted by "R".
Die Figuren 10a - 10c illustrieren, wie das auf der Sensorplattform zu erzeugende Beleuchtungsmuster an verschiedenste Geometrien angepasst werden kann. In Figur 10a ist die Ausleuchtung einer Vielzahl von Messbereichen in einem hexagonalen Muster dargestellt. Figur 10b zeigt die Ausleuchtung von Messbereichen, welche in konzentrischen Kreisringen angeordnet sind. Figur 10c illustriert ein Beleuchtungsmuster mit einer beliebigen, irregulären Geometrie, wie sie beispielsweise der gezielten Beleuchtung von auf der Sensorplattform befindlichen biologischen Zellen entsprechen kann. Dabei kann jeweils durch diskrete Schaltung der Einzelelemente des SLM das erzeugte Beleuchtungsmuster innerhalb kürzester Zeit verändert und beispielsweise an Änderungen der Geometrie der Messbereiche angepasst werden.FIGS. 10a-10c illustrate how the illumination pattern to be generated on the sensor platform can be adapted to a wide variety of geometries. FIG. 10 a shows the illumination of a multiplicity of measurement areas in a hexagonal pattern. FIG. 10b shows the illumination of measuring areas which are arranged in concentric circular rings. FIG. 10c illustrates an illumination pattern with any irregular geometry, such as, for example, the targeted illumination of biological cells located on the sensor platform can correspond. In each case, the generated illumination pattern can be changed within a very short time by discrete switching of the individual elements of the SLM and, for example, adapted to changes in the geometry of the measuring ranges.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung und Messung von optischen Signalen und / oder deren Änderungen aus Messbereichen, welche in einem ein- oder zweidimensionalen Array auf einer im wesentlichen optisch transparenten Sensorplattform angeordnet sind, unter Verwendung eines analytischen Systems nach einer der nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen, mindestens umfassendA further subject of the present invention is a method for generating and measuring optical signals and / or their changes from measuring ranges, which are arranged in a one- or two-dimensional array on a substantially optically transparent sensor platform, using an analytical system according to one of hereinafter described embodiments, at least comprising
- ein optisches System mit einem Beleuchtungssystem zur Beleuchtung von Messbereichen auf der Sensorplattform, mit einer als "SLM" bezeichneten Anordnung zur zeitlich schnell veränderbaren räumlichen Lichtmodulation sowie mit einem Detektionssystem mit mindestens einer Detektionseinheit zur Detektion von Signalen aus den Messbereichen auf der Sensorplattform, in Richtung der Transmission oder Reflexion des Beleuchtungslichts in einem Spektralbereich, der den Spektralbereich des Beleuchtungslichts umfasst,. und- An optical system with an illumination system for illumination of measurement areas on the sensor platform, with a designated as "SLM" arrangement for temporally fast variable spatial light modulation and with a detection system with at least one detection unit for detecting signals from the measurement areas on the sensor platform in the direction the transmission or reflection of the illumination light in a spectral range that includes the spectral range of the illumination light ,. and
- eine in das optische System einführbare Sensorplattform mit darauf in einem ein- oder zweidimensionalen Array angeordneten Messbereichen, dadurch gekennzeichnet, dass im Betriebszustand aus einem in dieses SLM eintretenden Beleuchtungslicht, mit im wesentlichen homogener Intensitätsverteilung im Querschnitt des Beleuchtungslichts senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung, Beleuchtungsmuster frei wählbarer und schnell veränderbarer, durch die Einstellungen des SLM festlegbarer Geometrie auf der Sensorplattform erzeugbar sind. Bevorzugt wird dabei ein Verfahren, das sich dadurch auszeichnet, dass mithilfe des Detektionssystems mit mindestens einer Detektionseinheit eine Helligkeitsverteilung der Signale gemessen wird, und dass diese Helligkeitsverteilung unabhängig von gemessenen absoluten Signalintensitäten analysiert wird.a sensor platform which can be inserted into the optical system and has measuring areas arranged thereon in a one- or two-dimensional array, characterized in that, in the operating state, illumination patterns emerge from an illumination light entering this SLM with a substantially homogeneous intensity distribution in the cross section of the illumination light perpendicular to its propagation direction Selectable and quickly changeable geometry that can be determined by the settings of the SLM can be generated on the sensor platform. In this case, a method is preferred which is characterized in that a brightness distribution of the signals is measured with the aid of the detection system with at least one detection unit, and that this brightness distribution is analyzed independently of measured absolute signal intensities.
Besonders bevorzugt wird dabei eine solche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die optischen Signale und / oder deren Änderungen aus diskreten Messbereichen erzeugt werden durch ein oder mehrere Bindungs- oder Adsorptionsereignisse zwischen einem oder mehreren Analyten in einer oder mehreren Proben und spezifischen Erkennungselementen für besagte Analyten in oder auf besagten Messbereichen, wobei die Proben und die Erkennungselemente für die in den Proben nachzuweisenden Analyten auf den Messbereichen miteinander in Kontakt gebracht werden, und dass aus diesen optischen Signalen und / oder deren Änderungen eine gleichzeitige qualitative und / oder quantitative Detektion einer Vielzahl von Analyten in einer oder mehreren Proben und / oder eines oder mehrerer Analyten in einer Vielzahl von Proben ermöglicht wird.Particular preference is given to such an embodiment of the method according to the invention, which is characterized in that the optical signals and / or their changes are generated from discrete measurement ranges by one or more binding or adsorption events between one or more analytes in one or more samples and specific Recognition elements for said analytes in or on said measurement areas, wherein the samples and the detection elements for the analyte to be detected in the samples are brought into contact with each other on the measurement areas, and that from these optical signals and / or their changes a simultaneous qualitative and / or quantitative Detection of a variety of analytes in one or more samples and / or one or more analytes in a variety of samples is possible.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines analytischen Systems nach einer der vorgenannten Ausführungsformen und / oder eines Verfahrens nach einer der vorgenannten Ausführungsformen zu quantitativen und / oder qualitativen Analysen zur Bestimmung chemischer, biochemischer oder biologischer Analyten in Screeningverfahren in der Pharmaforschung, der Kombinatorischen Chemie, der Klinischen und Präklinischen Entwicklung, zu Echtzeitbindungsstudien und zur Bestimmung kinetischer Parameter im Affin itätsscreening und in der Forschung, zu qualitativen und quantitativen Analytbestimmungen, insbesondere für die DNA- und RNA-Analytik und die Bestimmung von genomischen oder proteomischen Unterschieden im Genom, wie beispielsweise Einzelnnukleotid-Polymorphismen, zur Messung von Protein-DNA-Wechselwirkungen, zur Bestimmung von Steuerungsmechanismen für die m-RNA-Expression und für die Protein(bio)synthese, für die Erstellung von Toxizitätsstudien sowie für die Bestimmung von Expressionsprofilen, insbesondere zur Bestimmung von biologischen und chemischen Markerstoffen, wie mRNA, Proteinen, Peptiden oder niedermolekularen organischen (Boten-)Stoffen, sowie zum Nachweis von Antikörpern, Antigenen, Pathogenen oder Bakterien in der pharmazeutischen Produktforschung und -entwicklung, der Human- und Veterinärdiagnostik, der Agrochemischen Produktforschung und - entwicklung, der symptomatischen und präsymptomatischen Pflanzendiagnostik, zur Patientenstratifikation in der pharmazeutischen Produktentwicklung und für die therapeutische Medikamentenauswahl, zum Nachweis von Pathogenen, Schadstoffen und Erregern, insbesondere von Salmonellen, Prionen, Viren und Bakterien, insbesondere in der Lebensmittel- und Umweltanalytik.Another object of the present invention is the use of an analytical system according to one of the aforementioned embodiments and / or a method according to one of the aforementioned embodiments for quantitative and / or qualitative analyzes for the determination of chemical, biochemical or biological analytes in screening methods in the pharmaceutical research, the combinatorial Chemistry, clinical and preclinical development, real-time binding studies and kinetic parameters in affinity screening and research, qualitative and quantitative analyte determinations, in particular for DNA and RNA analysis and the determination of genomic or proteomic differences Genome, such as single nucleotide polymorphisms, for the measurement of protein-DNA interactions, for the determination of control mechanisms for mRNA expression and for protein synthesis, for the preparation of toxicity studies and for the determination of expression profiles, in particular for the determination of biological and chemical marker substances, such as mRNA, proteins, peptides or low-molecular organic (messenger) substances, as well as for the detection of antibodies, antigens, pathogens or bacteria in pharmaceutical product research and development, human and veterinary diagnostics, agrochemical Product research and development, the symptomatic and presymptomatic plant diagnostics, for patient stratification in pharmaceutical product development and for the therapeutic drug selection, for the detection of pathogens, pollutants and pathogens, in particular Salmonella, prions, viruses and bacteria, especially in d he food and environmental analysis.
In den nachfolgenden Beispielen wird die vorliegende Erfindung ohne Einschränkung der Allgemeinheit weiter erläutert.In the following examples, the present invention will be further explained without limiting the generality.
BeispieleExamples
Beispiel 1example 1
Der Aufbau des analytischen Systems entspricht der Ausführungsform gemäß Figur 4, d.h. Anordnung des Beleuchtungssystems und desThe structure of the analytical system corresponds to the embodiment of Figure 4, i. Arrangement of the lighting system and the
Detektionssystems auf entgegengesetzten Seiten der Sensorplattform und Detektion des transmittierten Lichtanteils. Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform einer solchen Anordnung umfasst das Beleuchtungssystem 1 ein kommerzielles Projektionssystem mit lichtemittierenden Dioden (LEDs) als Lichtquellen. Hierfür geeignet ist beispielsweise ein Projektionssystem des Typs FF1 (Toshiba, Taiwan). Figur 12 zeigt das Emissionsspektrum dieses Projektors bei gleichzeitigem Betrieb aller drei LED-Lichtquellen. Die verwendeten blauen, grünen und roten LEDs haben zentrale Emissionswellenlängen von 460 nm, 520 nm bzw. 627 nm und eine spektrale Emissionsbandbreite von typischerweise 20 nm bis 40 nm. In den folgenden Beispielen wird hauptsächlich die rote Lichtquelle verwendet, wobei selbstverständlich auch Lichtquellen anderen Emissionsspektrums, beispielsweise mit blauer oder grüner Emission, verwendet werden können. Das Licht der LEDs wird mittels eines „Lichttunnels" homogenisiert und auf ein Digital Mirror Device (DMD) als SLM gelenkt. Das vom DMD reflektierte Licht wird durch ein erstes im Projektionssystem enthaltenes Linsensystem gelenkt. Mit Hilfe einer zusätzlichen Linse (Brennweite f = 500 mm) als Teil der Beleuchtungsoptik 9 wird das vom Projektor kommende Licht auf die Sensorplattform, welche sich in einem Abstand von etwa 1 m vom Projektor befindet, abgebildet. Zwecks Kontrolle bzw. Festlegung der Polarisation des Beleuchtungslichts umfasst die Beleuchtungseinheit im Beleuchtungsstrahlengang einen Polarisator.Detection system on opposite sides of the sensor platform and detection of the transmitted light component. According to a preferred embodiment of such an arrangement, the illumination system 1 comprises a commercial projection system with light emitting diodes (LEDs) as light sources. Suitable for this purpose For example, a projection system of the type FF1 (Toshiba, Taiwan). FIG. 12 shows the emission spectrum of this projector with simultaneous operation of all three LED light sources. The blue, green and red LEDs used have central emission wavelengths of 460 nm, 520 nm and 627 nm, respectively, and a spectral emission bandwidth of typically 20 nm to 40 nm. In the following examples, the red light source is mainly used, with, of course, also light sources of different emission spectrum , for example with blue or green emission, can be used. The light of the LEDs is homogenized by means of a "light tunnel" and directed to a Digital Mirror Device (DMD) as SLM The light reflected by the DMD is directed by a first lens system contained in the projection system With the aid of an additional lens (focal length f = 500 mm As part of the illumination optics 9, the light coming from the projector is imaged onto the sensor platform, which is located at a distance of about 1 m from the projector For the purpose of checking or determining the polarization of the illumination light, the illumination unit in the illumination beam path comprises a polarizer.
Die optische Sensorplattform umfasst einen Dünnschichtwellenleiter mit einer darin strukturierten Gitterstruktur, d.h. eine Struktur, wie sie auch unter der Bezeichnung „Resonante Gitterstruktur" bekannt ist. Diese umfasst ein planares Glassubstrat als Träger mit einer Brechzahl von 1.5 bei 633 nm und mit zwei großflächigen parallelen Oberflächen in einem Abstand von 1 mm als Dicke des Trägers, in dessen einer der beiden genanntenThe optical sensor platform comprises a thin film waveguide having a grating structure structured therein, i. a structure known as the "resonant lattice structure" comprising a planar glass substrate as support having a refractive index of 1.5 at 633 nm and having two large parallel surfaces at a distance of 1 mm as the thickness of the support in which one of the two mentioned
Oberflächen ein optisches Gitter mit einer Periode von 360 nm strukturiert ist. Vorzugsweise ist dieses Gitter als ein Oberflächen-Reliefgitter mit zueinander parallelen Stegen und Nuten von jeweils gleicher Stegbreite bzw. Nutbreite ausgeprägt, wobei als Gitterperiode der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stegen bzw. Nuten bezeichnet wird. Das Gitter kann vollflächig über eine gesamte Oberfläche des Glassubstrats ausgebildet sein. Das Gitter ist mit einer im wesentlichen optisch transparenten Schicht mit einer Brechzahl von 2.1 bei 633 nm und einer Dicke von 150 nm als wellenleitender Schicht überdeckt.Surface is structured an optical grating with a period of 360 nm. Preferably, this grid is pronounced as a surface relief grid with mutually parallel webs and grooves of the same web width or groove width, wherein the distance between two successive webs or grooves is referred to as the grating period. The grid can be over the entire surface over an entire surface of the glass substrate be educated. The grating is covered with a substantially optically transparent layer having a refractive index of 2.1 at 633 nm and a thickness of 150 nm as waveguiding layer.
Wie dem Fachmann bekannt ist, gibt es zur Einkopplung von Licht in die hochbrechende wellenleitende Schicht einer solchen Gitter-Wellenleiter- Schicht jeweils einen diskreten Resonanzwinkel für Lichteinkopplung in Vorwärtsrichtung der Lichtausbreitung im Wellenleiter und einen Resonanzwinkel für Lichteinkopplung in Rückwärtsrichtung der Lichtausbreitung im Wellenleiter, bei Einstrahlung von Beleuchtungslicht einer diskreten Wellenlänge und einer bestimmten Polarisation. Beispielsweise können sich die Resonanzwinkel zur Lichteinkopplung von TM- und TE-polarisiertem Licht mit 626 nm Wellenlänge um größenordnungsmäßig 10° unterscheiden. Für Beleuchtungslicht unterschiedlicher Wellenlänge sind die Resonanzwinkel wiederum unterschiedlich. Bei Einstrahlung von Beleuchtungswinkel unter einem fixierten Einstrahlungswinkel, aber mit einer gewissen spektralen Breite von beispielsweise 1 nm bis 10 nm, bezeichnet man daher auch die Wellenlänge des Lichtanteils, für welche bei dem vorgegebenen Einstrahlungswinkel die Resonanzbedingung für die Lichteinkopplung erfüllt ist, als die „Resonanzwellenlänge".As is known to those skilled in the art, for coupling light into the high-refractive-wave waveguiding layer of such a grating-waveguide layer, there is a discrete resonance angle for light coupling in the forward direction of light propagation in the waveguide and a resonance angle for light coupling in the backward direction of light propagation in the waveguide upon irradiation of illumination light of a discrete wavelength and a certain polarization. For example, the resonance angles for light coupling of TM and TE polarized light with 626 nm wavelength can differ by the order of 10 °. For illumination light of different wavelengths, the resonance angles are again different. Upon irradiation of illumination angles at a fixed angle of incidence, but with a certain spectral width of, for example, 1 nm to 10 nm, therefore, the wavelength of the light component for which the resonance condition for the light coupling is met at the predetermined irradiation angle is referred to as the "resonance wavelength ".
Bei geeigneter Wahl der spektralen Breite der Lichtquelle und der physikalischen Charakteristika (insbesondere Schichtdicken, Gitterperiode und Gittertiefe) der „Resonanten Gitterstruktur" ist es möglich, dieWith a suitable choice of the spectral width of the light source and the physical characteristics (in particular layer thickness, grating period and lattice depth) of the "resonant lattice structure", it is possible to use the
Resonanzbedingungen für Lichteinkopplung sowohl in Rückwärtsrichtung als auch in Vorwärtsrichtung der Lichtausbreitung im Wellenleiter gleichzeitig zu erfüllen. Der Mittelpunkt der beiden Resonanzen entspricht dem Autokollimationswinkel, welcher der Senkrechten zur Oberflächenebene der Sensorplattform entspricht. Somit lässt sich neben der Bestimmung der Messgrösse auch die Ausrichtung der Sensorplattform in der Region des Messbereiches bestimmen.To meet resonance conditions for light coupling both in the backward direction and in the forward direction of the light propagation in the waveguide simultaneously. The center of the two resonances corresponds to the autocollimation angle, which corresponds to the perpendicular to the surface plane of the sensor platform. Thus, can be next to Determining the measured variable also determine the orientation of the sensor platform in the region of the measuring range.
Des weiteren können bei geeigneter Wahl der spektralen Breite der Lichtquelle und der Charakteristika der „Resonanten Gitterstruktur" die Resonanzbedingungen für Lichteinkopplung für beide Polarisationsrichtungen, d.h. für TE- und TM-Polarisation, gleichzeitig erfüllt werden. Damit lassen sich gleichzeitig, wie später detaillierter beschrieben wird, die Dicke und die Brechzahl einer an der Oberfläche der Sensorplattform aufgebrachten Schicht, z, B. einer Haftvermittlungsschicht, einer vollständigen oder teilweisen, d.h. durchbrochenen Schicht aus Erkennungselementen für den Analytnachweis oder aus gebundenen Analytverbindungen, bestimmen.Furthermore, with a suitable choice of the spectral width of the light source and the characteristics of the "resonant grating structure", the resonance conditions for light coupling for both directions of polarization, ie for TE and TM polarization, can be satisfied simultaneously, which can be simultaneously described later in more detail , the thickness and the refractive index of a layer applied to the surface of the sensor platform, for example an adhesion-promoting layer, a complete or partial, ie perforated, layer of detection elements for analyte detection or of bound analyte compounds.
Die gleichzeitige Erfüllung der Resonanzbedingungen zur Lichteinkopplung für beide Ausbreitungsrichtungen als auch für beide Polarisationsrichtungen kann selbstverständlich auch in Kombination realisiert werden.The simultaneous fulfillment of the resonance conditions for light coupling for both directions of propagation and for both polarization directions can of course also be realized in combination.
Aus Änderungen des Resonanzwinkels und der Resonanzwellenlänge können Änderungen des effektiven Brechungsindex bestimmt werden, welche beispielsweise durch molekulare Adsorptions- oder Desorptionsvorgänge an der Oberfläche der Sensorplattform und entsprechende Änderungen des (makroskopischen) Brechungsindex an dieser Oberfläche hervorgerufen werden. Aufgrund der bekanntenFrom changes in the resonance angle and the resonance wavelength, changes in the effective refractive index can be determined, which are caused, for example, by molecular adsorption or desorption processes on the surface of the sensor platform and corresponding changes in the (macroscopic) refractive index at this surface. Because of the well-known
Abhängigkeit des Brechungsindex von den Schicht- und Lichtparametern können aus diesen Änderungen des effektiven Brechungsindex bzw. von Resonanzwinkel oder -Wellenlänge als Koppelparameter der Sensorplattform beispielsweise absolute oder relative Änderungen der Massenbelegung an der Oberfläche der Sensorplattform bestimmt werden. Sofern eine Kalibration dieser Änderungen mit bekannten Massenbelegungen (z. B. mit vollständigen oder teilweisen Monoschichten oberflächenadsorbierter Moleküle bekannten Molekulargewichts) durchgeführt wird oder vorliegt, können auch Absolutwerte der Oberflächenbelegung bestimmt werden. Insbesondere bei bekannter Dichte der Oberflächenbelegung können im Falle von nicht kugelsymmetrischen oberflächenadsorbierten Molekülen aus der Höhe der Signaländerungen beispielsweise auch Rückschlüsse auf die Orientierung der adsorbierten Moleküle gezogen werden. Damit werden sogar Rückschlüsse auf die Natur des entsprechenden chemischen, biochemischen oder biologischen Adsorptions- oder Bindungsvorganges ermöglicht. Umgekehrt können für simulierte Adsorptionsvorgänge entsprechende Änderungen der Koppelparameter simuliert werden und die Modelle für diese simulierten Adsorptionsvorgänge dann anhand realer Messwerte überprüft werden.Dependence of the refractive index on the layer and light parameters can be determined from these changes in the effective refractive index or of the resonance angle or wavelength as coupling parameters of the sensor platform, for example absolute or relative changes in the mass coverage on the surface of the sensor platform. If a calibration of these changes with known If mass assignments (for example with complete or partial monolayers of surface adsorbed molecules of known molecular weight) are or are present, it is also possible to determine absolute values of the surface coverage. In particular, with known density of the surface coverage can be drawn in the case of non-spherical surface adsorbed molecules from the height of the signal changes, for example, conclusions about the orientation of the adsorbed molecules. This even makes it possible to draw conclusions about the nature of the corresponding chemical, biochemical or biological adsorption or binding process. Conversely, for simulated adsorption processes, corresponding changes in the coupling parameters can be simulated and the models for these simulated adsorption processes can then be checked using real measured values.
Bei gleichzeitiger Messung für zwei unterschiedliche Polarisationen ermöglichen mathematische Modelle eine Bestimmung der Brechzahl und der Dicke einer an der Oberfläche angelagerten Schicht. Diese zusätzliche Information lässt weitere Rückschlüsse zu. So kann beispielsweise bestimmt werden, ob sich Moleküle an der Oberfläche als dichte Monoschicht angelagert haben oder sich lose und in mehreren Schichten angelagert haben. Es lassen sich in diesem Fall auch vereinfacht Rückschlüsse auf die Orientierung von nicht kugelsymmetrischen Molekülen ziehen, da unterschiedliche Ausrichtungen der Moleküle an der Oberfläche, beispielsweise für „liegende" Moleküle und für „stehende" Moleküle, bei gleicher Massenbelegung zu unterschiedlichen optischen Eigenschaften der Sensorschicht, insbesondere zu unterschiedlichen Brechzahlen und Schichtdicken, führen.Simultaneous measurement for two different polarizations allow mathematical models to determine the refractive index and thickness of a surface deposited layer. This additional information allows further conclusions. For example, it can be determined whether molecules have attached to the surface as a dense monolayer or have accumulated loosely and in multiple layers. In this case it is also easier to draw conclusions about the orientation of non-spherically symmetric molecules, since different orientations of the molecules on the surface, for example for "lying" molecules and for "stationary" molecules, with the same mass assignment to different optical properties of the sensor layer, in particular to different refractive indices and layer thicknesses lead.
Entsprechend der Ausführungsform gemäß der Konfiguration von Figur 4 ist die Detektionseinheit in Transmissionsrichtung entlang der optischen Achse des von der Beleuchtungseinheit erzeugten Beleuchtungslichts ausgerichtet, wobei in diesem Fall der Detektionswinkel 7 mit dem Einfallswinkel 6 des Beleuchtungslichts auf der Sensorplattform übereinstimmt. Als Lichtsammeioptik 10 wird in diesem Beispiel eine Linse mit 500 mm Brennweite verwendet, womit das Licht auf die Eintrittsstirnfläche einer optischen Faser fokussiert wird, von wo der so in die Faser eingekoppelte und darin geleitete Lichtanteil in ein Spektrometer zur weiteren spektralen Analyse geführt wird. Dabei ist die Linse in einem Abstand von jeweils etwa 500 mm zwischen der Sensorplattform und der optischen Faser angeordnet.According to the embodiment according to the configuration of FIG. 4, the detection unit is aligned in the transmission direction along the optical axis of the illumination light generated by the illumination unit, in this case, the detection angle θ coincides with the incident angle θ of the illumination light on the sensor platform. As the light collecting optics 10, a lens with a focal length of 500 mm is used in this example, with which the light is focused on the entry end face of an optical fiber, from where the light component thus coupled into the fiber and guided therein is guided into a spectrometer for further spectral analysis. In this case, the lens is arranged at a distance of approximately 500 mm in each case between the sensor platform and the optical fiber.
Figur 12 zeigt für vier unterschiedlich eingestellte Einfallswinkel 6.3, 6.4, 6.5 und 6.6 des Beleuchtungslichts auf die Sensorplattform die in Transmission aufgenommenen Spektren des TE-polahsierten Beleuchtungslichts der roten LED. Bei der dem jeweiligen Einfallswinkel entsprechenden Resonanzwellenlänge für die Lichteinkopplung weist das Spektrum des transmittierten Lichts ein Minimum auf. Aus der Position, Breite und Tiefe lassen sich, bei bekannten physikalischen Parametern der Sensorplattform, Rückschlüsse auf den effektiven Brechungsindex oder auf Adsorptions- oder Desorptionsvorgänge auf der Sensorplattform ziehen. Entsprechende Spektren für TM-polahsiertes Beleuchtungslicht bei zwei unterschiedlichen Einfallswinkeln 6.1 und 6.2 sind in Figur 13 dargestellt, wobei hier die Transmissionsminima bei den jeweiligen Resonanzwellenlängen weniger stark ausgeprägt sind.FIG. 12 shows, for four differently set angles of incidence 6.3, 6.4, 6.5 and 6.6 of the illumination light on the sensor platform, the spectra recorded in transmission of the TE-poled illumination light of the red LED. At the resonance wavelength for the light coupling corresponding to the respective angle of incidence, the spectrum of the transmitted light has a minimum. From the position, width and depth, it is possible, with known physical parameters of the sensor platform, to draw conclusions about the effective refractive index or adsorption or desorption processes on the sensor platform. Corresponding spectra for TM-polahsiertes illumination light at two different angles of incidence 6.1 and 6.2 are shown in Figure 13, in which case the transmission minima are less pronounced at the respective resonance wavelengths.
Beispiel 2Example 2
Der Aufbau des analytischen Systems entspricht der Ausführungsform gemäß Figur 3, d.h. Anordnung des Beleuchtungssystems und des Detektionssystems auf der gleichen Seite der Sensorplattform und Detektion in Richtung des reflektierten Lichtanteils. Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform einer solchen Anordnung umfasst das Beleuchtungssystem 1 ein kommerzielles Projektionssystem mit lichtemittierenden Dioden (LEDs) als Lichtquellen. Hierfür geeignet ist beispielsweise ein Projektionssystem des Typs FF1 (Toshiba, Taiwan). Figur 11 zeigt das Emissionsspektrum dieses Projektionssystems bei gleichzeitigem Betrieb aller drei LED-Lichtquellen. Die verwendeten blauen, grünen und roten LEDs haben zentrale Emissionswellenlängen von 460 nm, 520 nm bzw. 627 nm und eine spektrale Emissionsbandbreite von typischerweise 20 nm bis 40 nm. Das Licht der LEDs wird mittels eines „Lichttunnels" homogenisiert und auf ein Digital Mirror Device (DMD) als SLM 4 gelenkt. Das vom DMD reflektierte Licht wird durch ein erstes im Projektionssystem enthaltenes Linsensystem gelenkt.The construction of the analytical system corresponds to the embodiment according to FIG. 3, ie arrangement of the illumination system and the detection system on the same side of the sensor platform and detection in the direction of the reflected light component. According to a preferred Embodiment of such an arrangement, the lighting system 1 comprises a commercial projection system with light-emitting diodes (LEDs) as light sources. Suitable for this purpose is, for example, a projection system of the type FF1 (Toshiba, Taiwan). FIG. 11 shows the emission spectrum of this projection system with simultaneous operation of all three LED light sources. The blue, green and red LEDs used have central emission wavelengths of 460 nm, 520 nm and 627 nm and a spectral emission bandwidth of typically 20 nm to 40 nm. The light from the LEDs is homogenized by means of a "light tunnel" and onto a digital mirror device (DMD) as SLM 4. The light reflected by the DMD is directed by a first lens system included in the projection system.
Mit Hilfe einer zusätzlichen Linse (Brennweite f = 500 mm) als Teil der Beleuchtungsoptik 9 wird das vom Projektor kommende Licht auf dieWith the help of an additional lens (focal length f = 500 mm) as part of the illumination optics 9, the light coming from the projector is on the
Sensorplattform, welche sich in einem Abstand von etwa 1 m vom Projektor befindet, abgebildet. Zwecks Kontrolle bzw. Festlegung der Polarisation des Beleuchtungslichts umfasst die Beleuchtungseinheit im Beleuchtungsstrahlengang einen Polarisator.Sensor platform, which is located at a distance of about 1 m from the projector. In order to check or fix the polarization of the illumination light, the illumination unit in the illumination beam path comprises a polarizer.
Die optische Sensorplattform umfasst einen Dünnschichtwellenleiter mit einer darin strukturierten Gitterstruktur, d.h. eine Struktur, wie sie auch unter der Bezeichnung „Resonante Gitterstruktur" bekannt ist. Diese umfasst ein planares Glassubstrat als Träger mit einer Brechzahl von 1.5 bei 633 nm und mit zwei großflächigen parallelen Oberflächen in einem Abstand von 1 mm als Dicke des Trägers, in dessen einer der beiden genannten Oberflächen ein optisches Gitter mit einer Periode von 360 nm strukturiert ist. Vorzugsweise ist dieses Gitter als ein Oberflächen-Reliefgitter mit zueinander parallelen Stegen und Nuten von jeweils gleicher Stegbreite bzw. Nutbreite ausgeprägt, wobei als Gitterperiode der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stegen bzw. Nuten bezeichnet wird. Das Gitter kann vollflächig über eine gesamte Oberfläche des Glassubstrats ausgebildet sein. Das Gitter ist mit einer im wesentlichen optisch transparenten Schicht mit einer Brechzahl von 2.1 bei 633 nm und einer Dicke von 150 nm als wellenleitender Schicht überdeckt.The optical sensor platform comprises a thin-film waveguide with a lattice structure structured therein, ie a structure known as the "resonant lattice structure" comprising a planar glass substrate as support with a refractive index of 1.5 at 633 nm and with two large parallel surfaces at a distance of 1 mm as the thickness of the carrier, in which one of the two surfaces mentioned is structured an optical grating having a period of 360 nm Groove width is pronounced, where the grating period is the distance between two successive webs or grooves can be formed over the entire surface over an entire surface of the glass substrate. The grating is covered with a substantially optically transparent layer having a refractive index of 2.1 at 633 nm and a thickness of 150 nm as waveguiding layer.
Entsprechend der Ausführungsform gemäß der Konfiguration von Figur 3 ist die Detektionseinheit in Reflexionsrichtung entlang der optischen Achse des von der Beleuchtungseinheit erzeugten Beleuchtungslichts ausgerichtet, wobei in diesem Fall der Detektionswinkel 7 mit dem Einfallswinkel 6 des Beleuchtungslichts auf der Sensorplattform betragsmäßig übereinstimmend, aber mit entgegengesetztem Vorzeichen ist. Als Lichtsammeioptik 10 wird in diesem Beispiel eine Linse mit 500 mm Brennweite verwendet, womit das Licht auf die Eintrittsstirnfläche einer optischen Faser fokussiert wird, von wo der so in die Faser eingekoppelte und darin geleitete Lichtanteil in ein Spektrometer zur weiteren spektralen Analyse geführt wird. Dabei ist die Linse in einem Abstand von jeweils etwa 500 mm zwischen der Sensorplattform und der optischen Faser angeordnet.According to the embodiment according to the configuration of FIG. 3, the detection unit is aligned in the reflection direction along the optical axis of the illumination light generated by the illumination unit, in which case the detection angle 7 coincides in magnitude with the incident angle 6 of the illumination light on the sensor platform, but with opposite sign , As the light collecting optics 10, a lens with a focal length of 500 mm is used in this example, with which the light is focused on the entry end face of an optical fiber, from where the light component thus coupled into the fiber and guided therein is guided into a spectrometer for further spectral analysis. In this case, the lens is arranged at a distance of approximately 500 mm in each case between the sensor platform and the optical fiber.
Figur 14 zeigt für einen einzelnen eingestellten Einfallswinkel des Beleuchtungslichts auf die Sensorplattform das in Reflexionsrichtung aufgenommene Spektrum des TM-polahsierten Beleuchtungslichts der roten LED. Bei der diesem Einfallswinkel entsprechenden Resonanzwellenlänge für die Lichteinkopplung weist das Spektrum in Reflexionsrichtung ein scharfes Maximum auf. Aus der Position, Breite und Tiefe lassen sich, bei bekannten physikalischen Parametern der Sensorplattform, Rückschlüsse auf den effektiven Brechungsindex oder auf Adsorptions- oder Desorptionsvorgänge auf der Sensorplattform ziehen. Liste der Bezugszeichen:FIG. 14 shows, for a single set angle of incidence of the illumination light on the sensor platform, the spectrum of the TM-poled illumination light of the red LED recorded in the reflection direction. At the resonance wavelength corresponding to this angle of incidence for the light coupling, the spectrum has a sharp maximum in the reflection direction. From the position, width and depth, it is possible, with known physical parameters of the sensor platform, to draw conclusions about the effective refractive index or adsorption or desorption processes on the sensor platform. List of reference numbers:
Die nachfolgende Bezugszeichenliste ist Bestandteil der Offenbarung dieser Patentanmeldung.The following list of reference numerals is part of the disclosure of this patent application.
1 : Beleuchtungssystem1: Lighting system
2: Sensorplattform2: sensor platform
3: Detektionssystem3: detection system
4: Beleuchtungslicht 5: Von der Sensorplattform ausgehendes Licht 6; 6.1 ; 6.2; 6.3;4: illumination light 5: light 6 originating from the sensor platform; 6.1; 6.2; 6.3;
6.4; 6.5; 6.6: Einfallswinkel auf der Sensorplattform6.4; 6.5; 6.6: Incidence angle on the sensor platform
7: Detektionswinkel7: detection angle
8: Beleuchtungseinheit8: Lighting unit
8.1 : Lichtquelle8.1: light source
8.2: Elektrooptische Einheit zur Erzeugung einer über den8.2: Electro-optical unit for generating an over the
Beleuchtungsquerschnitt homogenen Verteilung desIllumination cross section homogeneous distribution of the
Beleuchtungslichtsillumination light
8.3: Umlenkspiegel8.3: Deflecting mirror
8.4: Anordnung zur zeitlich schnell veränderbaren8.4: Arrangement for temporally quickly changeable
Lichtmodulation (SLM)Light modulation (SLM)
8.5: Spiegel8.5: Mirror
8.6: Linsensystem8.6: lens system
8.7: „Lichttunnel" oder „Lichtstab"8.7: "Light Tunnel" or "Light Bar"
8.8: Prismensystem8.8: prism system
8.9: Räumlicher Filter8.9: Spatial filter
9: Beleuchtungsoptik9: Illumination optics
9.1 : Strahlteiler9.1: beam splitter
9.2: Linsensystem9.2: lens system
10: Lichtsammeioptik10: Light collection optics
10.1 : Optische Faser 10.2: Linsensystem10.1: Optical fiber 10.2: lens system
10 .3: Umlenkspiegel10 .3: Deflection mirror
1 1 Detektionseinheit1 1 detection unit
1 1 .1 : Lichtanalyseeinheit i 1 1 .2: Polarisierender Strahlteiler1 1 .1: Light analysis unit i 1 1 .2: Polarizing beam splitter
12 Der Sensorplattform zugeführte Proben-, Test-, Kalibrations- oder Referenzbereitstellungen in flüssiger oder gasförmiger Form12 Sample, test, calibration or reference supplies in liquid or gaseous form supplied to the sensor platform
12': Von der Sensorplattform abgeführte Proben-, Test-, Kalibrations- oder Referenzbereitstellungen in flüssiger oder gasförmiger Form 12 ': sample, test, calibration or reference supplies in liquid or gaseous form removed from the sensor platform

Claims

54Patentansprüche 54Patentansprüche
1. Analytisches System zur Erzeugung und Messung von optischen Signalen und / oder deren Änderungen aus Messbereichen, welche in einem ein- oder zweidimensionalen Array auf einer im wesentlichen optisch transparenten Sensorplattform angeordnet sind, mindestens umfassend - ein optisches System mit einem Beleuchtungssystem zur Beleuchtung von Messbereichen auf der Sensorplattform und einem Detektionssystem mit mindestens einer Detektionseinheit zur1. Analytical system for generating and measuring optical signals and / or their changes from measuring ranges, which are arranged in a one- or two-dimensional array on a substantially optically transparent sensor platform, at least comprising - an optical system with an illumination system for illuminating measuring ranges on the sensor platform and a detection system with at least one detection unit for
Detektion von Signalen aus den Messbereichen auf der Sensorplattform, in Richtung der Transmission oder Reflexion des Beleuchtungslichts in einem Spektralbereich, der den Spektralbereich des Beleuchtungslichts umfasst, und - eine in das optische System einführbare Sensorplattform mit darauf in einem ein- oder zweidimensionalen Array angeordneten Messbereichen, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungssystem eine als „SLM" bezeichnete Anordnung zur zeitlich schnell veränderbaren räumlichen Lichtmodulation umfasst, mit der im Betriebszustand aus einem in dieses SLM eintretenden Beleuchtungslicht, mit im wesentlichen homogener Intensitätsverteilung im Querschnitt des Beleuchtungslichts senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung, Beleuchtungsmuster frei wählbarer und schnell veränderbarer, durch die Einstellungen des SLM festlegbarer Geometrie auf der Sensorplattform erzeugbar sind.Detection of signals from the measurement areas on the sensor platform, in the direction of the transmission or reflection of the illumination light in a spectral range which includes the spectral range of the illumination light, and - a sensor platform insertable into the optical system with measurement areas arranged in a one- or two-dimensional array, characterized in that the illumination system comprises an arrangement referred to as "SLM" for temporally rapidly variable spatial light modulation, with the illumination mode in the operating state from an entering into this SLM illumination light, with substantially homogeneous intensity distribution in the cross section of the illumination light perpendicular to its propagation direction, illumination pattern and rapidly changeable geometry that can be determined by the settings of the SLM can be generated on the sensor platform.
2. Analytisches System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorplattform in einer ein- oder zweidimensionalen Anordnung mehr als 50, vorzugsweise mehr als 500, ganz besonders bevorzugt mehr als 50000 Messbereiche umfasst. 552. Analytical system according to claim 1, characterized in that the sensor platform in a one- or two-dimensional arrangement comprises more than 50, preferably more than 500, most preferably more than 50,000 measuring ranges. 55
3. Analytisches System nach einem der Ansprüche 1 - 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorplattform in einem Ein- oder Mehrschichtsystem ein Material aus der Gruppe umfasst, welche von im wesentlichen optisch transparenten Gläsern, Kunststoffen und3. Analytical system according to one of claims 1 - 2, characterized in that the sensor platform in a single or multi-layer system comprises a material from the group consisting of substantially optically transparent glasses, plastics and
Keramiken gebildet wird, wobei Schichten dieser Werkstoffe optional mit zusätzlichen Beschichtungen versehen sein können.Ceramics is formed, wherein layers of these materials may optionally be provided with additional coatings.
4. Analytisches System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorplattform als eine4. Analytical system according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor platform as a
Evaneszentfeld-Sensorplattform ausgebildet ist.Evanescent field sensor platform is formed.
5. Analytisches System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorplattform ausgewählt ist aus der Gruppe von Prismen zur Erzeugung interner Totalreflexion, selbsttragenden optischen5. Analytical system according to claim 4, characterized in that the sensor platform is selected from the group of prisms for generating total internal reflection, self-supporting optical
Wellenleitern, optischen Dünnschichtwellenleitern, Dünnschichtwellenleitern mit darin strukturierten Gittern für die Lichteinkopplung und / oder Lichtauskopplung, resonanten Gitterstrukturen sowie „Resonanten Spiegeln".Waveguides, optical thin-film waveguides, thin-film waveguides with grids structured therein for the light coupling and / or light outcoupling, resonant lattice structures and "resonant mirrors".
6. Analytisches System nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorplattform die Grundabmessungen einer Mikrotiterplatte hat oder als Bestandteil einer Mikrotiterplatte ausgebildet ist.6. Analytical system according to one of claims 1-5, characterized in that the sensor platform has the basic dimensions of a microtiter plate or is formed as part of a microtiter plate.
7. Analytisches System nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zur zeitlich veränderbaren räumlichen Lichtmodulation ausgewählt ist aus der Gruppe von „Digital Mirror Devices" DMD, Flüssigkristall-Displays LCD, „Liquid Cristal on Silicon Silicon" LCOS Mikrodisplays und mechanisch 567. Analytical system according to one of claims 1-6, characterized in that the arrangement for temporally variable spatial light modulation is selected from the group of "Digital Mirror Devices" DMD, liquid crystal displays LCD, "Liquid Cristal on Silicon Silicon" LCOS microdisplays and mechanical 56
bewegbaren Masken mit lichtdurchlässigen und lichtblockierenden Bereichen.movable masks with translucent and light-blocking areas.
8. Analytisches System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zur zeitlich veränderbaren räumlichen8. Analytical system according to claim 7, characterized in that the arrangement for temporally variable spatial
Lichtmodulation eine Vielzahl diskret für die Weiterleitung zur Sensorplattform oder Blockade des Beleuchtungslichts schaltbarer Einzelelemente in einer ein- oder zweidimensionalen Anordnung umfasst, wobei ein Messbereich von mehr als einem dieser Einzelelemente beleuchtet wird.Light modulation a variety discretely for forwarding to the sensor platform or blockade of the illumination light switchable individual elements in a one- or two-dimensional arrangement, wherein a measuring range of more than one of these individual elements is illuminated.
9. Analytisches System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zur zeitlich veränderbaren räumlichen Lichtmodulation eine Vielzahl diskret für die Weiterleitung zur Sensorplattform oder Blockade des Beleuchtungslichts schaltbarer9. Analytical system according to claim 8, characterized in that the arrangement for temporally variable spatial light modulation a plurality discretely switchable for forwarding to the sensor platform or blockade of the illumination light
Einzelelemente in einer zweidimensionalen Anordnung umfasst, wobei es sich vorzugsweise um mehr als 100 x 100 diskret schaltbare Einzelelemente handelt.Comprises individual elements in a two-dimensional arrangement, which is preferably more than 100 x 100 discretely switchable individual elements.
10. Analytisches System nach einem der Ansprüche 8 oder 9. dadurch gekennzeichnet, dass ein Einzelelement der Anordnung zur zeitlich veränderbaren räumlichen Lichtmodulation eine Schaltzeit von weniger als 20 msec für den Wechsel zwischen Positionen oder Einstellungen für Weiterleitung des Beleuchtungslichts zur Sensorplattform oder Blockade des Beleuchtungslichts aufweist.10. Analytical system according to one of claims 8 or 9, characterized in that a single element of the arrangement for temporally variable spatial light modulation has a switching time of less than 20 msec for the change between positions or settings for forwarding the illumination light to the sensor platform or blockade of the illumination light ,
11. Analytisches System nach einem der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zur zeitlich schnell veränderbaren räumlichen Lichtmodulation die Erzeugung von schnell veränderbaren Beleuchtungsmustern auf der Sensorplattform ermöglicht, womit zeitlich in ihrer Geometrie sich verändernde 5711. Analytical system according to one of claims 1-10, characterized in that the arrangement for temporally rapidly variable spatial light modulation allows the generation of rapidly variable illumination patterns on the sensor platform, which temporally in their geometry is changing 57
Objekte als sich in ihrer Geometrie zeitlich verändernde Messbereiche auf der Sensorplattform gezielt beleuchtet und von diesen Objekten ausgehendes Licht detektiert werden kann.Objects as in their geometry time-varying measuring ranges on the sensor platform specifically illuminated and emitted by these objects outgoing light can be detected.
12. Analytisches System nach einem der Ansprüche 1 - 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungssystem eine oder mehrere polychromatische oder im wesentlichen monochromatische Lichtquellen aufweist.12. Analytical system according to one of claims 1-11, characterized in that the illumination system comprises one or more polychromatic or substantially monochromatic light sources.
13. Analytisches System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder mehreren polychromatischen oder im wesentlichen monochromatischen Lichtquellen ausgewählt sind aus der Gruppe von Lasern, „Vertical Cavity Surface emitting Lasers" VCSEL, kantenemittierenden Laserdioden, Superlumineszenten Dioden SLD, lichtemittierenden Dioden LED, organischen lichtemittierenden13. An analytical system according to claim 12, characterized in that the one or more polychromatic or substantially monochromatic light sources are selected from the group of lasers, vertical cavity surface emitting lasers VCSEL, edge emitting laser diodes, superluminescent diodes SLD, light emitting diodes LED, organic light-emitting
Dioden (OLED), Gasentladungslampen und Glühlampen.Diodes (OLED), gas discharge lamps and incandescent lamps.
14. Analytisches System nach einem der Ansprüche 1 - 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungssystem im optischen Strahlengang vor Eintritt des Beleuchtungslichts in die Anordnung zur zeitlich veränderbaren räumlichen Lichtmodulation optische oder elektrooptische Komponenten zur Herstellung einer über den Beleuchtungsquerschnitt homogenen Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts umfasst, wobei diese Komponenten vorzugsweise ausgewählt sind aus der Gruppe von optischen Projektionssystemen,14. Analytical system according to one of claims 1-13, characterized in that the illumination system in the optical beam path before entering the illumination light in the arrangement for temporally variable spatial light modulation optical or electro-optical components for producing a homogeneous over the illumination cross-section intensity distribution of the illumination light, wherein these components are preferably selected from the group of optical projection systems,
Mikrolinsen-Arrays, „Lichttunneln" und „Lichtstäben".Microlens arrays, "light tunnels" and "light rods".
15. Analytisches System nach einem der Ansprüche 1 - 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungssystem im optischen Strahlengang des Beleuchtungslichts vor Eintritt des Beleuchtungslichts in die Anordnung zur zeitlich veränderbaren räumlichen Lichtmodulation 5815. Analytical system according to one of claims 1-14, characterized in that the illumination system in the optical beam path of the illumination light before the occurrence of the illumination light in the arrangement for temporally variable spatial light modulation 58
oder im weiteren Strahlengang in Richtung der Sensorplattform telezentrisch wirkende optische Komponenten umfasst.or comprises in the further beam path in the direction of the sensor platform telecentrically acting optical components.
16. Analytisches System nach einem der Ansprüche 1 - 15, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System Vorkehrungen für Korrekturen zur Kompensation schrägen Lichteinfalls nach Scheimpflug umfasst.16. Analytical system according to one of claims 1-15, characterized in that the optical system comprises provisions for corrections for compensation of oblique incidence of light after Scheimpflug.
17. Analytisches System nach einem der Ansprüche 1 - 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionssystem eine oder mehrere Detektionseinheiten aus der Gruppe von Photodioden, Photomultipliern, Avalanche-Dioden, CMOS-Arrays und CCD-Kameras umfasst.17. Analytical system according to one of claims 1-16, characterized in that the detection system comprises one or more detection units from the group of photodiodes, photomultipliers, avalanche diodes, CMOS arrays and CCD cameras.
18. Analytisches System nach einem der Ansprüche 1 - 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionssystem eine oder mehrere spektral aufspaltende elektrooptische Komponenten für eine selektive Detektion spektraler Eigenschaften des von den Messbereichen ausgehenden Lichts umfasst.18. Analytical system according to one of claims 1-17, characterized in that the detection system comprises one or more spectrally splitting electro-optical components for a selective detection of spectral properties of the emanating from the measurement areas light.
19. Analytisches System nach einem der Ansprüche 1 - 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungssystem und / oder das19. Analytical system according to one of claims 1-18, characterized in that the illumination system and / or the
Detektionssystem polarisationsselektiv wirkende Komponenten im Strahlengang umfassen.Detection system polarization-selective components in the beam path include.
20. Analytisches System nach einem der Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die polarisationsselektiv wirkenden Komponenten die Unterscheidung transversal elektrisch (TE) und transversal magnetisch (TM) polarisierten Lichts, welches von den Messbereichen auf der Sensorplattform ausgeht, ermöglichen.20. Analytical system according to claim 19, characterized in that the polarization-selective components enable the distinction between transversely electric (TE) and transversely magnetic (TM) polarized light emanating from the measuring areas on the sensor platform.
21. Analytisches System nach einem der Ansprüche 1 - 20, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Signalen der einen oder mehreren 5921. Analytical system according to one of claims 1-20, characterized in that from the signals of the one or more 59
Detektoren und deren Änderungen der Brechungsindex und / oder die Dicke einer adsorbierten Schicht oder deren Änderungen in oder auf den Messbereichen auf der Sensorplattform bestimmbar sind.Detectors and their changes, the refractive index and / or the thickness of an adsorbed layer or their changes in or on the measuring ranges on the sensor platform can be determined.
22. Analytisches System nach einem der Ansprüche 4 - 21 , dadurch gekennzeichnet, dass aus den Signalen der einen oder mehreren Detektoren und / oder deren Änderungen der effektive Brechungsindex und / oder dessen Änderungen in oder auf den Messbereichen auf der Sensorplattform bestimmbar sind.22. Analytical system according to one of claims 4 - 21, characterized in that from the signals of the one or more detectors and / or their changes, the effective refractive index and / or its changes in or on the measuring ranges on the sensor platform can be determined.
23. Analytisches System nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Signalen der einen oder mehreren Detektoren und deren Änderungen der Resonanzwinkel zur Einkopplung von Beleuchtungslicht in einen Dünnschichtwellenleiter über ein darin strukturiertes Gitter und / oder Änderungen eines solchen Resonanzwinkels bezüglich der23. Analytical system according to claim 22, characterized in that from the signals of the one or more detectors and their changes the resonance angle for coupling of illumination light in a thin-film waveguide via a grid structured therein and / or changes such a resonance angle with respect to
Flächennormalen der Sensorplattform, bei konstanter eingestrahlter Wellenlänge des Beleuchtungslichts, bestimmbar sind.Surface normals of the sensor platform, at constant irradiated wavelength of the illumination light, can be determined.
24. Analytisches System nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Signalen der einen oder mehreren Detektoren und deren24. Analytical system according to claim 22, characterized in that from the signals of the one or more detectors and their
Änderungen die Resonanzwellenlänge zur Einkopplung von Beleuchtungslicht in einen Dünnschichtwellenleiter über ein darin strukturiertes Gitter und / oder Änderungen einer solchen Resonanzwellenlänge, bei konstantem Einstrahlungswinkel des Beleuchtungslichts bezüglich der Flächennormalen der Sensorplattform, bestimmbar sind.Changes the resonance wavelength for coupling of illumination light in a thin film waveguide on a grid structured therein and / or changes of such a resonant wavelength, at a constant angle of incidence of the illumination light with respect to the surface normal of the sensor platform can be determined.
25. Verfahren zur Erzeugung und Messung von optischen Signalen und / oder deren Änderungen aus Messbereichen, welche in einem ein- oder zweidimensionalen Array auf einer im wesentlichen optisch transparenten 6025. A method for generating and measuring optical signals and / or their changes from measurement areas, which in a one- or two-dimensional array on a substantially optically transparent 60
Sensorplattform angeordnet sind, unter Verwendung eines analytischen Systems nach einem der vorangehenden Ansprüche, mindestens umfassend - ein optisches System mit einem Beleuchtungssystem zur Beleuchtung von Messbereichen auf der Sensorplattform, mit einer als "SLM" bezeichneten Anordnung zur zeitlich schnell veränderbaren räumlichen Lichtmodulation sowie mit einem Detektionssystem mit mindestens einer Detektionseinheit zur Detektion von Signalen aus den Messbereichen auf der Sensorplattform, in Richtung der Transmission oder Reflexion des Beleuchtungslichts in einem Spektralbereich, der den Spektralbereich des Beleuchtungslichts umfasst, undSensor system platform are arranged, using an analytical system according to one of the preceding claims, comprising at least - an optical system with an illumination system for illumination of measurement areas on the sensor platform, with an arrangement known as "SLM" for temporally fast variable spatial light modulation and with a detection system with at least one detection unit for detecting signals from the measurement areas on the sensor platform, in the direction of the transmission or reflection of the illumination light in a spectral range which includes the spectral range of the illumination light, and
- eine in das optische System einführbare Sensorplattform mit darauf in einem ein- oder zweidimensionalen Array angeordneten Messbereichen, - dadurch gekennzeichnet, dass im Betriebszustand aus einem in dieses SLM eintretenden Beleuchtungslicht, mit im wesentlichen homogener Intensitätsverteilung im Querschnitt des Beleuchtungslichts senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung, Beleuchtungsmuster frei wählbarer und schnell veränderbarer, durch die Einstellungen des SLM festlegbarer Geometrie auf dera sensor platform which can be inserted into the optical system and has measuring areas arranged thereon in a one- or two-dimensional array, characterized in that, in the operating state, an illumination light entering this SLM with a substantially homogeneous intensity distribution in the cross section of the illumination light perpendicular to its propagation direction illuminates freely selectable and quickly changeable geometry that can be defined by the settings of the SLM
Sensorplattform erzeugbar sind.Sensor platform can be generated.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass mithilfe des Detektionssystems mit mindestens einer Detektionseinheit eine Helligkeitsverteilung der Signale gemessen wird, und dass diese Helligkeitsverteilung unabhängig von gemessenen absoluten Signalintensitäten analysiert wird.26. The method according to claim 25, characterized in that with the aid of the detection system with at least one detection unit, a brightness distribution of the signals is measured, and that this brightness distribution is analyzed independently of measured absolute signal intensities.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 - 26, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Signale und / oder deren Änderungen aus diskreten 6127. The method according to any one of claims 25 - 26, characterized in that the optical signals and / or their changes from discrete 61
Messbereichen erzeugt werden durch ein oder mehrere Bindungs- oder Adsorptionsereignisse zwischen einem oder mehreren Analyten in einer oder mehreren Proben und spezifischen Erkennungselementen für besagte Analyten in oder auf besagten Messbereichen, wobei die Proben und die Erkennungselemente für die in den Proben nachzuweisenden Analyten auf den Messbereichen miteinander in Kontakt gebracht werden, und dass aus diesen optischen Signalen und / oder deren Änderungen eine gleichzeitige qualitative und / oder quantitative Detektion einer Vielzahl von Analyten in einer oder mehreren Proben und / oder eines oder mehrerer Analyten in einer Vielzahl von Proben ermöglicht wird.Measuring ranges are generated by one or more binding or Adsorptionsereignisse between one or more analytes in one or more samples and specific recognition elements for said analytes in or on said measuring ranges, wherein the samples and the detection elements for the analyte to be detected in the samples on the measuring areas with each other from these optical signals and / or their changes, a simultaneous qualitative and / or quantitative detection of a plurality of analytes in one or more samples and / or one or more analytes in a plurality of samples is made possible.
28. Verwendung eines analytischen Systems nach einem der Ansprüche 1 - 24 und / oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 25 - 27 zu quantitativen und / oder qualitativen Analysen zur Bestimmung chemischer, biochemischer oder biologischer Analyten in Screeningverfahren in der Pharmaforschung, der Kombinatorischen Chemie, der Klinischen und Präklinischen Entwicklung, zu Echtzeitbindungsstudien und zur Bestimmung kinetischer Parameter im Affinitätsscreening und in der Forschung, zu qualitativen und quantitativen Analytbestimmungen, insbesondere für die DNA- und RNA-Analytik und die Bestimmung von genomischen oder proteomischen Unterschieden im Genom, wie beispielsweise Einzelnnukleotid-Polymorphismen, zur Messung von Protein-DNA- Wechselwirkungen, zur Bestimmung von Steuerungsmechanismen für die m-RNA-Expression und für die Protein(bio)synthese, für die Erstellung von Toxizitätsstudien sowie für die Bestimmung von Expressionsprofilen, insbesondere zur Bestimmung von biologischen und chemischen Markerstoffen, wie mRNA, Proteinen, Peptiden oder niedermolekularen organischen (Boten-)Stoffen, sowie zum Nachweis von Antikörpern, Antigenen, Pathogenen oder Bakterien in der pharmazeutischen Produktforschung und -entwicklung, der Human- und Veterinärdiagnostik, der Agrochemischen Produktforschung und -entwicklung, der 6228. Use of an analytical system according to one of claims 1 - 24 and / or a method according to one of claims 25 - 27 for quantitative and / or qualitative analyzes for the determination of chemical, biochemical or biological analytes in screening methods in the pharmaceutical research, the combinatorial chemistry, clinical and preclinical development, real-time binding studies and kinetic parameters in affinity screening and research, qualitative and quantitative analyte determinations, in particular for DNA and RNA analysis and the determination of genomic or proteomic differences in the genome, such as single nucleotide Polymorphisms, for the measurement of protein-DNA interactions, for the determination of control mechanisms for m-RNA expression and for protein synthesis, for the preparation of toxicity studies and for the determination of expression profiles, in particular for the determination of biolog and chemical marker substances, such as mRNA, proteins, peptides or low-molecular organic (messenger) substances, and for the detection of antibodies, antigens, pathogens or bacteria in pharmaceutical product research and development, human and veterinary diagnostics, agrochemical product research and development, the 62
symptomatischen und präsymptomatischen Pflanzendiagnostik, zur Patientenstratifikation in der pharmazeutischen Produktentwicklung und für die therapeutische Medikamentenauswahl, zum Nachweis von Pathogenen, Schadstoffen und Erregern, insbesondere von Salmonellen, Prionen, Viren und Bakterien, insbesondere in der Lebensmittel- und Umweltanalytik. symptomatic and presymptomatic plant diagnostics, for patient stratification in pharmaceutical product development and for therapeutic drug selection, for the detection of pathogens, pollutants and pathogens, in particular Salmonella, prions, viruses and bacteria, in particular in food and environmental analysis.
EP07805169A 2006-07-17 2007-07-16 Analytical system comprising an arrangement for temporally variable spatial light modulation and detection method implemented thereby Ceased EP2044420A2 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CH11512006 2006-07-17
PCT/IB2007/052831 WO2008010182A2 (en) 2006-07-17 2007-07-16 Analytical system comprising an arrangement for temporally variable spatial light modulation and detection method implemented thereby

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP2044420A2 true EP2044420A2 (en) 2009-04-08

Family

ID=37188103

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP07805169A Ceased EP2044420A2 (en) 2006-07-17 2007-07-16 Analytical system comprising an arrangement for temporally variable spatial light modulation and detection method implemented thereby

Country Status (3)

Country Link
US (1) US8213017B2 (en)
EP (1) EP2044420A2 (en)
WO (1) WO2008010182A2 (en)

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010073137A1 (en) * 2008-12-22 2010-07-01 Koninklijke Philips Electronics N.V. Cmos imager with single photon counting capability
NL2005902C2 (en) * 2010-11-25 2012-05-29 Ibis Technologies B V Method and apparatus for surface plasmon resonance angle scanning.
US9291802B2 (en) * 2011-04-29 2016-03-22 Corning Incorporated Compact label free imaging system
JP5751328B2 (en) * 2011-06-29 2015-07-22 株式会社ニコン Structured illumination optical system and structured illumination microscope apparatus
DE102011114500B4 (en) * 2011-09-29 2022-05-05 Fei Company microscope device
DE102011088880A1 (en) * 2011-12-16 2013-06-20 Robert Bosch Gmbh Tubular bag machine for filling a product
MY189992A (en) * 2012-02-21 2022-03-22 Massachusetts Inst Technology Spectrometer devices
KR20130111868A (en) 2012-04-02 2013-10-11 삼성전자주식회사 Method for sharing content and mobile terminal thereof
US9841600B2 (en) 2012-08-21 2017-12-12 3M Innovative Properties Company Viewing device
US11885738B1 (en) 2013-01-22 2024-01-30 J.A. Woollam Co., Inc. Reflectometer, spectrophotometer, ellipsometer or polarimeter system including sample imaging system that simultaneously meet the scheimpflug condition and overcomes keystone error
US10152998B2 (en) * 2014-04-07 2018-12-11 Seagate Technology Llc Features maps of articles with polarized light
JP6539052B2 (en) 2015-01-20 2019-07-03 浜松ホトニクス株式会社 Image acquisition apparatus and image acquisition method
JP6300739B2 (en) * 2015-01-20 2018-03-28 浜松ホトニクス株式会社 Image acquisition apparatus and image acquisition method
US9589348B1 (en) * 2016-05-31 2017-03-07 Oculus Vr, Llc Camera calibration system
CN106404751B (en) * 2016-08-30 2019-01-22 上海理工大学 A kind of column vector beam excitating surface plasma resonance sensing equipment
EP3652523A4 (en) 2017-07-14 2021-03-24 Neolund AB High spectral resolution scheimpflug lidar
US11474018B2 (en) * 2019-12-05 2022-10-18 Carrier Corporation Fluorescence enhanced LIDAR based particulate detector
US10992928B1 (en) 2020-01-30 2021-04-27 Facebook Technologies, Llc Calibration system for concurrent calibration of device sensors

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4683420A (en) * 1985-07-10 1987-07-28 Westinghouse Electric Corp. Acousto-optic system for testing high speed circuits
US5143854A (en) 1989-06-07 1992-09-01 Affymax Technologies N.V. Large scale photolithographic solid phase synthesis of polypeptides and receptor binding screening thereof
GB2254415B (en) 1991-03-22 1994-10-12 Marconi Gec Ltd An optical sensor
US5614990A (en) * 1994-08-31 1997-03-25 International Business Machines Corporation Illumination tailoring system using photochromic filter
US5598300A (en) 1995-06-05 1997-01-28 Board Of Regents, The University Of Texas System Efficient bandpass reflection and transmission filters with low sidebands based on guided-mode resonance effects
EP1031828B1 (en) * 1999-02-25 2006-09-13 C.S.E.M. Centre Suisse D'electronique Et De Microtechnique Sa Integrated-optical sensor and method for integrated-optically sensing a substance
DE19914279C1 (en) * 1999-03-25 2000-09-07 Jena Optronik Gmbh Sensor for optical examination of stimulated sample pixels on e.g. nano-titration screening plates or bio-chips for gene analysis, employs e.g. a liquid crystal matrix shutter and fiber optics with photomultiplier detection
DE19937797C1 (en) 1999-08-10 2001-03-22 Zeiss Carl Jena Gmbh Apparatus detecting biomolecular reactions and mass exchange, screening with reflectometric interference spectroscopy, includes beam-splitting layers on wedge-shaped support plate
IL135944A0 (en) * 2000-05-03 2001-05-20 Jtc 2000 Dev Delaware Inc Optical linear processor
WO2001088511A1 (en) 2000-05-06 2001-11-22 Zeptosens Ag Grating optical waveguide structure for multi-analyte determinations and the use thereof
US6545758B1 (en) 2000-08-17 2003-04-08 Perry Sandstrom Microarray detector and synthesizer
US7879598B2 (en) 2000-09-04 2011-02-01 Bayer Technology Services Gmbh Multianalyte determination system and methods
EP1397668A2 (en) * 2001-06-06 2004-03-17 Digital Optical Imaging Corporation Light modulated microarray reader and methods relating thereto
DE10127611C2 (en) * 2001-06-07 2003-08-07 Jena Optronik Gmbh Arrangement for exciting and reading out the fluorescent radiation of a sample carrier with a large number of individual samples
AU2003298412A1 (en) 2002-09-03 2004-03-29 Zeptosens Ag Analytical platform and identification method
JP2005537486A (en) 2002-09-03 2005-12-08 ツェプトゼンス アクチエンゲゼルシャフト Analytical platform and detection method in which analyte is measured as a specific binding partner immobilized in a sample
DE50312077D1 (en) 2002-12-19 2009-12-10 Oerlikon Trading Ag Apparatus and method for producing electro-magnetic field distributions
US7139295B2 (en) * 2003-01-27 2006-11-21 Fibera, Inc. Tunable wavelength locker, tunable wavelength spectrum monitor, and relative wavelength measurement system
US20060109088A1 (en) * 2004-11-23 2006-05-25 Sagan Stephen F Spatial light modulator calibration
GB2414881A (en) * 2004-06-01 2005-12-07 Imp College Innovations Ltd Imaging system capable of reproducing a wide range of intensities
US7745143B2 (en) * 2004-11-19 2010-06-29 Plexera, Llc Plasmon resonance biosensor and method

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2008010182A2 *

Also Published As

Publication number Publication date
WO2008010182A2 (en) 2008-01-24
WO2008010182A3 (en) 2008-04-10
US8213017B2 (en) 2012-07-03
US20100014088A1 (en) 2010-01-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2044420A2 (en) Analytical system comprising an arrangement for temporally variable spatial light modulation and detection method implemented thereby
EP1012580B1 (en) Optical sensor and optical method for characterizing a chemical and/or biological substance
DE69909480T2 (en) Integrated optical sensor
US7869032B2 (en) Biosensors with porous dielectric surface for fluorescence enhancement and methods of manufacture
WO2000075644A9 (en) Sensor platform and method for analysing multiple analytes
US7645612B2 (en) Kit and method for multi-analyte determination
DE10008006C2 (en) SPR sensor and SPR sensor arrangement
EP1307728B1 (en) Waveguide grid array and optical measurement arrangement
EP0834066B1 (en) Process and device for detecting physical, chemical, biological or biochemical reactions and interactions
JP4519171B2 (en) Photonic crystal defect cavity biosensor
US20030138208A1 (en) Grating optical waveguide structure for multi-analyte determinations and the use thereof
US20210341474A1 (en) Light microscopy chips and data analysis methodology for quantitative localzied surface plasmon resonance (lspr) biosensing and imaging
WO2001055691A2 (en) Waveguide plate and sensor platforms based thereon, arrangements of sample containers and detection methods
DE102007033124A1 (en) Device for optical detection of substances in fluid or gaseous medium, comprises a carrier with molecules for the recognition of the substances to be detected that are immobilized on a surface of the carrier or in the carrier
WO2002097405A2 (en) High-resolution ellipsometry method for quantitative or qualitative analysis of sample variations, biochip and measuring device
DE112008003430T5 (en) Surface plasmon resonance using fluorescence microscope
EP1420929B1 (en) Method for production of moulded bodies, in particular optical structures and use thereof
WO2006042746A1 (en) Method for examining physical, chemical and biochemical interactions
DE102018133037B4 (en) Arrangement and method for detecting optical properties of a sample, in particular for the selective detection of biological molecules and for reading out a molecule occupancy
DE19757706C2 (en) Substrate, device and method for the rapid evaluation of binding reactions by interferometric layer thickness measurement
DE102020133924A1 (en) CHIPLABOR SYSTEM WITH FUNCTIONALIZED WAVEGUIDE

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20090217

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MT NL PL PT RO SE SI SK TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: AL BA HR MK RS

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
17Q First examination report despatched

Effective date: 20100528

REG Reference to a national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R003

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION HAS BEEN REFUSED

18R Application refused

Effective date: 20140414