DE19615380A1

DE19615380A1 - Abklingende Abtastung eines biochemischen Arrays

Info

Publication number: DE19615380A1
Application number: DE19615380A
Authority: DE
Inventors: David A King; Jens Peter Seher
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1995-08-29
Filing date: 1996-04-18
Publication date: 1997-03-06
Also published as: SE9601163L; US5633724A; SE9601163A0; SE9601163D0

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Polymer-Sequenzierung und -Erkennung. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf Vorrichtungen und Verfahren zum Abtasten großer bioche mischer Arrays.

In jüngerer Zeit wurden erfolgreich biomolekulare Arrays er zeugt. Beispielsweise offenbaren Fodor u. a., "Light-direc ted, Spatially Addressable Parallel Chemical Synthesis", Science, Bd. 251, S. 767 bis 773 (1991), Arrays hoher Dich te, die durch eine Licht-gerichtete Synthese gebildet sind. Das Array wurde für eine Antikörper-Erkennung verwendet. Biomolekulare Arrays werden ferner von E. Southern (PCT-Ver öffentlichung wo 89/10977) zum Analysieren von Polynucleo tid-Sequenzen beschrieben. Derartige biomolekulare Arrays eignen sich für eine große Anzahl von Anwendungen, von einer DNA- und Protein-Sequenzierung bis zu einer DNA-Fingerab druckerzeugung und einer Krankheitsdiagnose.

Für spezifische Anwendungen können Polymerarrays großen Maß stabs benötigt werden. Bei der Analyse großer polymerischer Moleküle, beispielsweise der DNA-Sequenzierung und der Pro tein-Identifikation, ist aufgrund der großen Anzahl von mög lichen Kombinationen die Fähigkeit, das Polymerarray zu "lesen" (d. h. Unterschiede in demselben zu erfassen) wichtig, damit derartige Analysen und die Sequenzierung zweckmäßig sind. Bei der DNA-Sequenzierung kann es beispielsweise er wünscht sein, ein Array aller möglichen 65 000 8-Mere (ein 8-Mer ist ein einstrangiges Polynucleotid mit 8 Nukleinba sen) abzutasten. Jedes Pixel entspricht einem einzelnen 8-Mer, wobei praktische Grenzen für die optische Leistungs menge, die erforderlich ist, um dieses Pixel zu lesen, zwi schen 1 mW und 10 mW liegen.

Ein Lösungsansatz zum Synthetisieren eines Polymerarrays auf einem optischen Substrat ist bei Fodor u. a. (1991), siehe oben; den PCT-Veröffentlichungen wo 91/07087, wo 92/10587 und WO 92/10588; sowie dem US-Patent Nr. 5.143.854 be schrieben. Da die Vorrichtung und das Verfahren des Synthe tisierens eines Polymerarrays bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind diese Offenbarungen hiermit durch Bezugnahme aufgenommen. Bei diesem Lösungsansatz wird ein Array von unterschiedlichen Rezeptoren unter Verwendung photolithografischer Techniken auf ein Substrat syntheti siert. Liganden werden über das Array gespült. Entweder der Ligand ist fluoreszierend markiert, oder ein zusätzlicher, fluoreszierend markierter Rezeptor wird ebenfalls über das Array gespült. Das Ergebnis besteht darin, daß Fluorophore auf denjenigen Pixeln immobilisiert werden, an denen eine Bindung zwischen dem Liganden und dem Rezeptor (den Rezepto ren) stattfanden. Das Array wird mit einer Strahlung be leuchtet, die die Fluorophore anregt. Das Muster von hellen und dunklen Pixeln wird aufgezeichnet. Informationen über den Liganden werden durch das Vergleichen dieses Hell-Dun kel-Musters mit bekannten Mustern von Oberflächen-gebundenen Rezeptoren erhalten. Die vorher genannten Schriften be schreiben ein Verfahren zum Lesen des Arrays beim Vorliegen von Fluorophoren. Die PCT-Veröffentlichung WO 92/10587 of fenbart beispielsweise eine optische Abtastung eines Arrays durch das Richten einer Anregung mit Licht durch ein Mikros kop-Objektiv und das Sammeln der Fluoreszenz durch das glei che Objektiv. Alle Ausführungsbeispiele, die in der PCT-Ver öffentlichung WO 92/10587 beschrieben sind, beziehen sich auf eine gleichartige, direkte Beleuchtung des Arrays. In gleicher Weise offenbart die PCT-Veröffentlichung WO 92/10092 das direkte Beleuchten der Arrayoberfläche bei al len Ausführungsbeispielen.

Obwohl die direkte Beleuchtung des Arrays einfach ist, exi stieren einige signifikante Nachteile. Beispielsweise kann die Anregungsstrahlung, die von der Arrayoberfläche reflek tiert wird, in die Fluoreszenz-Sammeloptik eindringen. Diese reflektierte Strahlung kann viel heller sein als die erzeug te Fluoreszenz. Eine direkte Beleuchtung hat fast immer eine Anregung und eine Streuung von einer großen Anzahl anderer Moleküle als der Fluorophore zur Folge, wobei zusätzlich ein möglicherweise größeres Hintergrundsignal erzeugt wird. Dies ist insbesondere problematisch, wenn das Beleuchtungslicht durch eine Lösung in Kontakt mit dem Array fällt. Obwohl Techniken existieren können, um diese Effekte zu reduzieren (beispielsweise ein zeitliches, spektrales oder räumliches Filtern des Lichts), ist deren Brauchbarkeit durch Kompro misse, die zwischen dem Signal-zu-Rausch-Verhältnis und der Sammelzeit stattfinden, häufig begrenzt.

Optische Prüfverfahren mit abklingender Frequenz wurden für chemische Untersuchungen untersucht. Abklingende Oberflä chenprüftechniken unter Verwendung der Fluoreszenz umfassen die innere Totalreflexion auf Prismen (M.L. Kronick und W.A. Little, "A new immunoassay based on fluorescence excitation by internal reflection spectroscopy", J. Immunological. Meth., Bd. 8, S. 235, 1975), Wellenleitern (A.N. Sloper, J.K. Deacon und M.T. Flanagan, "A planar indium phosphate monomode waveguide evanescent field immunosensor", Sensors and Actuators, Bd. B1, S. 589, 1990) und optischen Fasern (R.P.H. Kooyman, H.E. be Bruÿn und J. Greve, "A fiber-optic fluorescence immunosensor", Proc. Soc. Photo.-Opt. Instrum. Eng., Bd. 798, 290, 1987) sowie eine Oberflächenplasmonreso nanz (J.P. Seher, "Method and apparatus for detecting the presence and/or concentration of biomolecules", EP 0 517 930 A1, 1992).

Bei solchen abklingenden Prüftechniken wird gegenüber einer reflektierten und gestreuten Anregungsstrahlung ein hoher Kontrast erreicht, da die Anregungsenergie sich nicht durch den Raum ausbreitet, sondern in einer sehr dünnen Region über der Oberfläche eingefangen ist. Zusätzlich kann die 1/e-Tiefe (d. h. die Tiefe zur Dämpfung des Lichts auf 1/e des ursprünglichen Werts) dieser Region gesteuert werden (P. Lorrain und D. Corson, Electromagnetic Fields and Waves, W.H. Freeman, San Francisco, 1970, S. 520 bis 525).

Die abklingende Anregung unterscheidet sich stark von der direkten Anregung oder der direkten Beleuchtung, wie sie in den PCT-Veröffentlichungen WO 92/10587 und WO 92/10092 be schrieben ist. Häufig werden Gitter verwendet, um die direk te Beleuchtung in eine abklingende Beleuchtung umzuwandeln (D.S. Goldman, P.L. White und N.C. Anheier, "Miniaturized spectrometer employing planar waveguides and grating coup lers for chemical analysis", Appl. opt., Bd. 29, 4583 bis 4589, 1990). Es ist in der Technik gut bekannt, daß Gitter auch durch akustische und optische Wellen erzeugt werden können und verwendet wurden, um eine abklingende Anregung zu erzeugen (X. Sun, S. Shiokawa und Y. Matsui, "Interactions of surface plasmons with surface acoustic waves and the study of the properties of Ag films", J. Appl. Phys., Bd. 69, 362, 1991). Jedoch verwenden die bekannten Verfahren gemäß den obigen Veröffentlichungen zum Abtasten von Arrays typischerweise Argon-Ionenlaser, die dazu neigen, aufwendig und groß zu sein.

Um ein großes Array wirksam zu beleuchten, ist eine große Energiemenge notwendig. Um beispielsweise alle Pixel in dem vorher genannten Array von 65 000 8-Meren gleichzeitig zu beleuchten, sind zwischen 65 Watt und 650 Watt erforderlich. Aufgrund der Unwirksamkeit bei der Lichterzeugung verbrau chen Quellen, die diese Menge optischer Leistung erzeugen, viel mehr elektrische Leistung als diese Zahlen anzeigen, was eine Kühlung notwendig macht.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zu schaffen, die verwendet werden kann, um eine polymerische Zielsubstanz auf einem Polymerarray mit einem hohen Kontrast gegenüber dem Hintergrundrauschen unter Ver wendung einer kompakten Hardware mit geringer Leistung zu erfassen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Erfassen einer polymerischen Zielsubstanz auf einem Polymerarray mit einem hohen Kontrast gegenüber dem Hintergrundrauschen unter Verwendung einer kompakten Hard ware mit geringer Leistung zu schaffen, sowie ein Verfahren zum Herstellen der oben genannten Vorrichtung.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 14 so wie ein Verfahren gemäß Anspruch 20 gelöst.

Die vorliegende Erfindung liefert eine Vorrichtung zum Ana lysieren einer Zielsubstanz auf einem Pixelarray, speziell einem Array von Pixeln, das Chemikalien, beispielsweise Polymere (ein Polymerarray), enthält. Bei der vorliegenden Erfindung erleichtert die Verwendung einer abklingenden An regung die gleichzeitige Beleuchtung des gesamten Arrays, während ein Hintergrundstreulicht minimiert wird.

Ferner bietet gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung das Plazieren des Arrays (mit dem Substrat, das das Array trägt) in einem optischen Hohlraum mit hoher Verstärkung (d. h. einem Resonanzhohlraum) einen wesentlichen Vorteil der abklingenden Anregung. Die optische Ausgabe einer wenig auf wendigen, kleinen und strukturell einfachen Lichtquelle (beispielsweise einer Festkörperlichtquelle) kann innerhalb des optischen Hohlraums eingefangen werden, wodurch die Lichtintensität auf ein Tausendfaches verstärkt werden kann, wie von King u. a. (US-Patent Nr. 5.432.610) beschrieben ist. Wenn ein Element zur inneren Totalreflexion (TIR-Ele ment; TIR = total internal reflection) in dem Hohlraum pla ziert ist (wie bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel), kann die intensive Strahlung in dem Hohlraum verwendet wer den, um abklingend ein Array auf einer Substratoberfläche anzuregen. Bei derartigen Innerhohlraum-Anwendungen wird vorzugsweise eine abklingende, und nicht direkte, Anregung der Oberfläche verwendet, so daß das Innerhohlraum-Element einen geringen optischen Verlust aufweist, wodurch die große Hohlraumverstärkung bewahrt wird. Bei diesem Ausführungsbei spiel ermöglicht die abklingende Anregung eine einfache, di rekte Fluoreszenzsammlung. Der Vorteil dieses Ausführungs beispiels wird offensichtlich, indem die Lichtquelle be trachtet wird, die erforderlich ist, um direkt und gleich zeitig 65 000 Pixel mit einzelnen Lichtquellen von 1 mW bis 10 mW zu beleuchten. Aufgrund der Forderung nach einer Küh lung sind Lichtquellen (beispielsweise Diodenlaser ähnlich der Reihe SDL-3200 von SDL, Inc., San Jose, CA), die eine derartige Leistungsmenge liefern können (höher als 65 W bis 650 W), groß, extrem aufwendig oder unzweckmäßig.

Beim Großteil der Arbeit gemäß dem Stand der Technik, die sich auf Arrays bezieht, wird das Anregungslicht auf einen Punkt oder eine Linie auf der Arrayoberfläche fokussiert, wobei das Array dann mechanisch verschoben wird, um einen unterschiedlichen Satz von Pixeln zu beleuchten. Obwohl die PCT WO 92/10587 auf eine Breitfeldbeleuchtung mit einem CCD-Detektor (CCD = charge coupled device = ladungsgekoppel tes Bauelement) verweist, das ein Abtastsystem ohne bewegli che Teile bietet, ist dies nur in Fällen von großen Fluores zenzmengen als wirksam beschrieben, und ist daher in vielen Anwendungen nicht zweckmäßig.

Wie vorher beschrieben wurde, ist bei der vorliegenden Er findung ein Arraydetektor mit einer abklingenden Breitfeld anregung kombiniert. Die abklingende Anregung wird eine Zu nahme des Signal/Rausch-Verhältnisses zur Folge haben. Diese Erfindung kann Licht wirksam verwenden, so daß kein bewegli ches Teil benötigt ist, um das Array zu beleuchten oder zu verschieben. Ein Arraydetektor beseitigt den Bedarf nach al len beweglichen Teilen. Ein Gerät, das keine beweglichen Teile aufweist, bietet Vorteile bezüglich der Herstellbar keit und der längeren Lebensdauer. Für Anwendungen mit einer Fluoreszenz geringen Pegels wird das Array unter Verwendung einer abklingenden Innenhohlraumstrahlung angeregt.

Bei der vorliegenden Erfindung kann ein optisches Signal durch die Frequenz oder die Zeit oder beides von einem An regungssignal unterschieden werden. Die meisten, verbreitet verwendeten fluoreszierenden Farbstoffe, beispielsweise Rho damin, weisen eine sehr schnelle Fluoreszenz-Abklingzeit auf, mit dem Ergebnis, daß die einfache Fluoreszenz eine Frequenzverschiebung der Anregungsstrahlung ist. Nicht-li neare, optische Oberflächenverfahren, die die Vorteile des Bietens größerer Frequenzverschiebungen aufweisen, können ebenfalls verwendet werden. Wenn eine gepulste Lichtquelle verwendet wird, ist ferner die Technik der Zeit-aufgelösten Fluoreszenz, die sowohl Zeit- als auch Frequenz-Verschiebun gen kombiniert, mit signifikanten Verbesserungen des Si gnal/Rausch-Verhältnisses anwendbar (E. Soini und T. Lov gren, "Time-resolved fluorescence of lanthanide probes and applications in biotechnology", Crit. Rev. Anal. Chem., Bd. 18(2), 105 bis 154 (1987)). Jede dieser Techniken wird ge eignet sein, um ein optisches Signal als Reaktion auf eine abklingende (oder direkte) Anregung zu erzeugen, und das Vorliegen oder das Fehlen einer Ligand-Rezeptor-Bindung an zuzeigen.

Die vorliegende Erfindung kann zur chemischen Erfassung von mikroskopischen Eigenschaften (beispielsweise der Fluores zenz, der Phosphoreszenz und dergleichen) einer Probe oder spezieller einer Zielsubstanz (chemisch), die in der Probe enthalten ist, verwendet werden. Beispiele von Zielsubstan zen, für deren Erfassung die Erfindung ausnehmend gut geeig net ist, umfassen beispielsweise Antikörper, Arzneimittel, Polynucleotide, Zellmembranrezeptoren, Zucker, Nukleinsäu ren, Proteine und sogar synthetische Moleküle. Die Zielsub stanz kann sogar ein Gas sein.

Die folgenden Figuren, die die Ausführungsbeispiele der vor liegenden Erfindung darstellen, sind enthalten, um die Pi xelarray-Abtastvorrichtung der vorliegenden Erfindung besser darzustellen. In diesen Figuren stellen gleiche Bezugszei chen gleiche Merkmale in den mehreren Ansichten dar, wobei Strukturen nicht maßstabsgerecht dargestellt sind.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die bei liegenden Zeich nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbei spiels der vorliegenden Erfindung zur abklingenden Anregung und zur Erfassung einer Fluoreszenz von einem synthetisierten Polymerarray unter Verwendung einer inneren Totalreflexion;

Fig. 2 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zum Erfassen eines optischen Signals bei der vorliegenden Erfin dung;

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem sich das Array innerhalb eines Resonanz hohlraums befindet;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zum abklingenden Anregen eines Polymerarrays unter Ver wendung einer Innenhohlraumstrahlung in einem Reso nanzhohlraum, die den Lichtstrahl innerhalb des Hohlraums zeigt;

Fig. 5 eine schematische Darstellung, die ein alternatives Ausführungsbeispiel der Verwendung einer Innenhohl raumstrahlung, um ein chemisches Array abklingend anzuregen, darstellt; und

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem ein Resonator mit einer reflektierenden Wand (einer von den Anschlußelementen unterschied lichen) verwendet ist.

Diese Erfindung liefert Vorrichtungen und Verfahren für eine kontrastreiche Abtastung (oder eine Erfassung des Lichts) von einem chemischen (beispielsweise einem Polymer-)Array. Eine abklingende Anregung wird verwendet, um ein optisches Signal zu erzeugen, das das Vorliegen oder das Fehlen einer Bindung zwischen Liganden und Rezeptoren auf Pixeln des Ar rays anzeigt. Der Ausdruck "Pixel", wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf ein einzelnes Glied des Arrays. Das Bindungsmuster, das so erzeugt wird, ermöglicht, daß Infor mationen über das Vorliegen des Liganden bestimmt werden.

Ein beliebiges Verfahren zum Erzeugen einer abklingenden An regung auf dem Arraysubstrat kann verwendet werden. Beispie le schließen jede Form einer inneren Totalreflexion (TIR) und einer Gitter-Kopplung ein, sind jedoch nicht auf diesel ben begrenzt. Nachfolgend sind mehrere Ausführungsbeispiele zum Abtasten eines chemischen Arrays beschrieben. Die Array oberfläche weist diskrete Regionen oder Pixel auf, auf denen chemische Reaktionen stattgefunden haben. Jedes Pixel wird auf das Vorliegen oder das Fehlen einer Molekularkennung in der Nähe der Oberfläche überprüft. Wenn sie durch ein ab klingendes elektromagnetisches Feld angeregt werden, erzeu gen die Molekularkennungen ein optisches Signal. Das opti sche Signal wird erfaßt, und das resultierende Muster von hellen und dunklen Pixeln kann durch eine Vorrichtung (bei spielsweise einen Computer), die für die Analyse derartiger Muster geeignet ist, analysiert werden.

Erfassung von Analyten auf einem chemischen Array

Fig. 1 zeigt, wie die abklingende Erfassung von mikroskopi schen Eigenschaften von Analyten (oder Zielsubstanzen) auf einem Polymerarray durchgeführt wird. Die Anwendung der vor liegenden Erfindung ist nicht durch das Verfahren, das zur Bindung von Zielsubstanzen, um das Pixelarray zu bilden, verwendet ist, begrenzt, wobei herkömmliche Techniken des Anbringens von Analyten auf einem Array auf einem geeigneten Substrat und das Markieren mit Molekularkennungen (bei spielsweise Fluorophoren) verwendet werden, beispielsweise diejenigen Techniken, die in den oben genannten Schriften beschrieben sind. Im allgemeinen weisen bei einem derartigen Array unterschiedliche Pixel unterschiedliche Chemikalien (beispielsweise polymerische Segmente) auf, die zur Bindung an unterschiedlichen Zielsubstanzen (oder Analyten) geeignet sind. Folglich kann durch das Erfassen, welche der Pixel an geregt werden, das Vorliegen einer Zielsubstanz bestimmt werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ist eine Vorrichtung 100 dargestellt. Ein Substrat 102 ist unter Verwendung eines Indexanpassungsfilms 108 in einem optischen Kontakt mit ei nem Prisma 104 plaziert. Das Substrat 102 und das Prisma 104 sind aus optisch transparenten Materialien hergestellt, vor zugsweise von dem gleichen Typ. Der Brechungsindex-Anpas sungsfilm 108 kann ein Öl sein, ist jedoch vorzugsweise ein komprimierbares optisches Polymer, wie z. B. das, das von Sjodin, "Optical interface means", PCT-Veröffentlichung WO 90/05317, 1990, offenbart ist. Das Prisma 104 und das Sub strat können auch ein einziges einstückiges Teil sein, das aus dem gleichen Material hergestellt ist (ohne den Bre chungsindex-Anpassungsfilm). Ein Array 110 (das in der Figur nicht getrennt gezeigt ist, da diese eine Seitenansicht ist) von Molekularkennungen (die das Pixelarray bilden) ist auf einer Oberfläche 112 des Substrats 102 vorgesehen. Ein Lichtstrahl 114 wird von einer Lichtquelle 106 geliefert und fällt derart auf das Prisma 104 ein, daß auf der Oberfläche 112 eine innere Totalreflexion stattfindet. Auf diese Weise wird auf der Oberfläche 112 ein abklingendes elektromagneti sches Feld (das detaillierter nachfolgend beschrieben wird) erzeugt. Das abklingende elektromagnetische Feld regt die Molekularkennungen (beispielsweise die Fluoreszenzmarkierun gen) auf der Oberfläche 112 an, wobei ein optisches Signal (beispielsweise 116) erzeugt wird. Die räumliche Abklingrate und daher die Tiefe des abklingenden Feldes kann durch das Ändern des Einfallswinkels des Lichtstrahls 114 auf die Oberfläche 112 gesteuert werden. Der Einfallswinkel ist vor zugsweise derjenige, der das optische Signal 116 von den Mo lekularkennungen maximiert, während jedes Streulicht mini miert wird. Der Lichtstrahl 114 wird mit den korrekten Fre quenz-, Zeit- und Intensitäts-Eigenschaften geliefert, um das maximale optische Signal von den Molekularkennungen zu bewirken, und auf eine solche Art und Weise, daß das abklin gende Feld ein, einige oder alle Pixel des Arrays anregt.

Geeignete Lichtquellen umfassen Laser, LEDs, kohärente Fre quenzumwandlungsvorrichtungen (wobei ein Beispiel derselben bei Kozlovsky u. a., "Resonator-enhanced frequency doubling in an extended-cavity diode laser", vorgestellt bei Blue/ Green Compact Lasers, New Orleans, 1. bis 5. Feb. 1993 und darin genannten Schriften, offenbart ist), ein Array von Oberflächen-emittierenden LEDs (Bare u. a., "A simple surface-emitting LED array useful for developing free-space optical interconnects", I.E.E.E., Photon. Tech. Lett., Bd. 5, 172 bis 175, 1993), und ein geeignetes Array von Oberflä chen-emittierenden Vertikalhohlraum-Lasern (VCSEL; VCSEL = vertical-cavity surface-emitting lasers), bei denen jedes Polymerarraypixel seinen eigenen zugeordneten Laser auf dem VCSEL-Array aufweisen könnte (Salah und Teich, Fundamentals of Photonics, Wiley-Interscience, New York, 1991, S. 638), sind jedoch nicht auf dieselben begrenzt. Beispiele moleku larer Kennungs/Lichtquellen-Paare umfassen CY5/HeNe-Laser, eine CY5/Laserdiode (beispielsweise Toshiba TOLD9410(s)), eine CY5/LED (beispielsweise Hewlett-Packard HMP8150), Fluo reszein/Argonionenlaser und Rhodamin/Argonionenlaser.

Das optische Signal 116 wird gesammelt, abgebildet, vorzugs weise gefiltert und unter Verwendung eines optischen Erfas sungssystems 120 erfaßt. Die Auswahl des optischen Erfas sungssystems 120 zum Erfassen des optischen Signals 116 hängt von der Anwendung ab, wobei ein bevorzugtes Ausfüh rungsbeispiel in Fig. 2 beschrieben ist. Ein Computer 122 ist mit dem Erfassungssystem 120 verbunden, um die Daten, die durch das Erfassungssystem erzeugt werden, elektronisch zu sammeln und zu analysieren.

Eine vollständige In-Situ-Synthese des Polymerarrays könnte bei der Hinzufügung von Fluidiksystemen (nicht gezeigt) in Kontakt mit der Oberfläche 112 mit der Vorrichtung, die in Fig. 1 gezeigt ist, durchgeführt werden. Das Erfassungssy stem 120 kann kinematisch bewegt werden, derart, daß UV-Licht von einer Quelle verwendet werden kann, um das Poly merarray zu synthetisieren, wie in den vorher genannten Ver öffentlichungen beschrieben ist. Alternativ kann ein Projek tionssystem verwendet werden, um die Oberfläche 112 durch das Prisma 104 mit UV-Licht zu bestrahlen, wobei keine Bewe gung des Systems 120 erforderlich ist.

Ein Beispiel eines geeigneten Erfassungssystems 120 ist in Fig. 2 gezeigt. In diesem Fall wird der Lichtstrahl 114 (der in Fig. 2 nicht gezeigt ist) derart geliefert, daß alle Pi xel in dem Array gleichzeitig durch das abklingende Feld an geregt werden. Hierbei sammelt ein Abbildungssystem 202 das optische Signal 116 durch ein optisches Filter (204) und bildet dasselbe auf einen zweidimensionalen Arraydetektor 208a ab. Abbildungssysteme 202 können Linsen oder ein kohä rentes Faserbündel enthalten (Hecht und Zajac, Optics, Addi son-Wesley, Reading, MA, 1979, S. 136). Das Filter 204 ist gewählt, um das optische Signal durchzulassen und Strahlung bei anderen Frequenzen zurückzuweisen. Der Detektor 208a ist vorzugsweise ein zweidimensionaler Detektor, beispielsweise ein CCD-Array, ein Bild-intensiviertes CCD, eine Vidicon- oder Video-Kamera. Eine optionale Bildintensivierungsvor richtung 208b, beispielsweise die Hamamatsu V4170U, kann zu sätzlich zu dem Detektor 208a verwendet sein, wenn das opti sche Signal 116 schwach ist. Die vorgesehenen Molekularken nungen erzeugen vorzugsweise fluoreszierende optische Signa le, können jedoch auch zeitaufgelöste oder nicht-lineare op tische Signale erzeugen.

Wie vorher beschrieben wurde, ist es bevorzugt, daß das Po lymerarray durch Licht von innerhalb des Resonanzhohlraums eines optischen Resonators beleuchtet wird. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 3 gezeigt. Hier ist der Lichtstrahl 114 durch einen Innenhohlraumstrahl 304 ersetzt. Eine Lichtquelle 306 ist verwendet, um einen äußeren opti schen (d. h. Resonanz-) Hohlraum optisch zu pumpen, und weist ein Strahlformungssystem (nicht gezeigt) auf. Der optische Hohlraum ist durch Spiegel 308, 312, 318 und die Oberfläche 112 gebildet. Die Spiegel 308, 312 und 318 und die Licht quelle 306 sind gewählt, um den Innenhohlraum-Lichtstrahl 304 auf eine Art und Weise zu optimieren, die Fachleuten gut bekannt ist. Der optische Hohlraum kann mehr oder weniger Spiegel als die, die in Fig. 3 gezeigt sind, aufweisen. Die Lichtquelle 306 ist vorzugsweise ein Diodenlaser, beispiels weise der Toshiba TOLD9215, und ist vorzugsweise antireflek tierend beschichtet, um die Stabilität des Innenhohlraum strahls zu verbessern (King u. a., "Diode-pumped power build-up cavity for chemical sensing", US-Patent Nr. 5.432.610, 1995). Bei einem weiteren bevorzugten Ausfüh rungsbeispiel könnte die Lichtquelle 306 innerhalb des opti schen Hohlraums, der durch die Spiegel 308, 312, 318 und die Oberfläche 112 gebildet ist, plaziert sein. Die Lichtquelle ist in diesem Fall vorzugsweise eine Helium-Neon-Plasmaröh re.

Die Fluoreszenz ist nur eine einer Klasse von optischen Prüftechniken, die sich auf die Lichtintensität und Änderun gen oder Umwandlungen der Lichtfrequenz und dergleichen be ziehen, die bei der Erfindung verwendet werden können. Wei tere Beispiele eines linearen Phänomens umfassen die Raman- Streuung oder die Oberflächen-verstärkte Raman-Streuung, die weit verbreitet verwendete Oberflächenerfassungstechniken sind. Weitere nicht-lineare Techniken in dieser Klasse könn ten ebenfalls vorteilhaft verwendet werden. Diese umfassen die Erzeugung zweiter Harmonischer und eine simulierte Ra man-Streuung. Nicht-lineare optische Effekte hängen von dem Quadrat oder der dritten Potenz der Lichtintensität ab, und würden daher aus der Zunahme der Innenhohlraumintensität, die die Erfindung liefert, noch mehr Nutzen ziehen als die Fluoreszenz. Derartige Techniken sind in der Technik be kannt.

Es ist häufig notwendig, die chemische Zusammensetzung einer Probe partiell oder vollständig zu bestimmen (beispielsweise den Blutglukosepegel oder die Sequenz einer Nukleinsäure). Die Probe enthält eine oder mehrere Zielsubstanzen (Analy te), die identifiziert und möglicherweise quantifiziert wer den müssen. Die Erfindung führt eine geeignete Untersuchung auf die folgende Art und Weise durch. Die Probe wird durch ein Fluidik- (oder Gas-) Handhabungssystem (nicht gezeigt) über die TIR-Oberfläche 112 gepumpt. Jedes Pixel in dem che mischen Array, das durch gut bekannte Techniken auf der Oberfläche 112 vorgesehen ist, enthält identische Rezeptor moleküle. Die Rezeptormoleküle können gewählt sein, um spe zifisch an ein, einige oder alle Analyte zu binden. Die Ana lyte sind entweder fluoreszierend, fluoreszierend markiert oder ein zusätzlicher chemischer Schritt einer Fluoreszenz markierung muß durchgeführt werden. Das Endergebnis besteht darin, daß bestimmte Pixel in dem Array Fluorophore aufwei sen werden, die chemisch gebunden sind, und andere nicht. Das Array wird gemäß der Erfindung abklingend beleuchtet, wobei das resultierende Schachbrett-Fluoreszenzmuster (d. h. hell und dunkel) erfaßt wird und zusammen mit der Kenntnis der Rezeptoren die gewünschten Informationen über die chemi sche Zusammensetzung der Probe ergibt. Die Pumpen, Ventile und Spritzen, die das Fluidik- (oder Gas-) Handhabungssystem aufweist, die notwendig sind, um die chemischen Bindungen durchzuführen, sind in der Technik gut bekannt.

Eine Änderung des Einfallswinkels des Lichts an der TIR- Oberfläche in dem Resonanzhohlraum ändert die 1/e-Abkling tiefe des abklingenden Feldes. Dies wiederum ändert die Tie fe über der TIR-Oberfläche, in der die Probe auf das Vorlie gen der Zielsubstanz untersucht wird. Es ist daher vorteil haft, den Einfallswinkel für jede spezielle Anwendung der Erfindung zu optimieren. Die Wahl des Optimierungsverfahrens wird von der Intensität der verfügbaren Fluoreszenz vergli chen mit der Intensität des Hintergrundlichts abhängen. Die Intensität kann während der Kalibrierung entweder mit dem gleichen Detektor, der für die tatsächliche Erfassung ver wendet wird, oder mit einem getrennten konventionellen De tektor erfaßt werden. In dem einfachsten Fall ist die Fluo reszenz viel größer als das Hintergrundlicht. Der Einfalls winkel wird anfänglich als irgendein Winkel eingestellt und wird dann geändert (beispielsweise durch das Drehen des Prismas), bis eine maximale Intensität erfaßt wird. Der Ein fallswinkel wird dann auf den Winkel eingestellt, für den die maximale Intensität erhalten wurde.

In dem üblicheren Fall wird die Intensität der Fluoreszenz jedoch viel geringer sein als die Hintergrundintensität. In diesem Fall kann ein herkömmliches optisches Filter räumlich vor dem Detektor verwendet werden (wie in Fig. 2, die das optische Filter 204 zeigt). Das optische Filter ermöglicht, daß die Fluoreszenz durchtritt, blockiert jedoch im wesent lichen das Hintergrundlicht. Da der gefilterte Hintergrund einen Teil des Fluoreszenzsignals bildet, kann, um das ge filterte Fluoreszenzsignal zu maximieren, während die unge filterte Fluoreszenz minimiert wird, ein Anfangswinkel ge wählt werden, die gefilterte und die ungefilterte Intensität gemessen werden, danach der Winkel geändert werden und die Messungen wiederholt werden, bis ein optimaler Winkel er reicht ist.

Die Lichtquelle, die TIR-Oberfläche und, wenn sich die TIR-Oberfläche in dem Resonatorhohlraum befindet, der Resonator (einschließlich des Resonanzhohlraums) sind ausgewählt, um ein adäquates abklingendes Feld zum Beleuchten des Arrays zu liefern. Im allgemeinen beträgt die Leistung, die benötigt wird, um ein einzelnes Pixel zu beleuchten, etwa 1 mW bis 10 mW. Da bei der vorliegenden Erfindung der Lichtverlust ge ring ist, ist eine solche Leistung innerhalb des Resonanz hohlraums verfügbar.

Wenn die gefilterte Hintergrundintensität so groß ist, daß sie nach der Filterung noch eine sehr große Komponente ist, kann ein Steuerabschnitt (ohne ein Fluorophor) auf der TIR- Oberfläche verwendet werden. In diesem Fall wird das Filter während der Messung an seinem Platz belassen. Die Fluores zenz von dem Steuerabschnitt und von einem Abschnitt mit ei nem Fluorophor wird als eine Funktion des Einfallswinkels gemessen. Danach wird der optimale Winkel als der Winkel ausgewählt, bei dem die Signaldifferenz zwischen dem Steuer abschnitt und dem Fluoreszenzabschnitt maximal ist. Dieses Kalibrierungsverfahren erfordert eine TIR-Oberfläche mit zwei Abschnitten, wobei dies jedoch normalerweise keinen signifikanten Nachteil darstellt, da der Einfallswinkel für eine gegebene Anwendung nur einmal eingestellt werden muß.

Wie vorher erwähnt wurde, kann die vorliegende Erfindung verwendet werden, um die Interaktion von Licht in dem ab klingenden Feld mit den mikroskopischen Eigenschaften des Analyts zu erfassen. Vorzugsweise, jedoch nicht notwendiger weise, wird das abklingende Feld durch eine TIR in einem Re sonanzhohlraum erzeugt. Die mikroskopischen Eigenschaften umfassen die Interaktionen von Licht mit einzelnen Atomen oder Molekülen, wie z. B. bei der Fluoreszenz oder der Phos phoreszenz. Für auf Optik basierende Umwandlungsverfahren der mikroskopischen Eigenschaften, beispielsweise der Pixel eines Polymerarrays, hängt das Signal (beispielsweise die Fluoreszenz) von der Intensität des elektromagnetischen Fel des ab. Die Empfindlichkeit ist sehr häufig durch die Rausch-äquivalente Leistung des Detektors begrenzt. Eine In tensitätszunahme reduziert die Analytmenge, die erforderlich ist, um das Rausch-äquivalente Signal zu erzeugen, wodurch die Empfindlichkeit erhöht wird. Einfacher ausgedrückt heißt das, daß, je mehr Leistung für das System verfügbar ist, de sto geringer die Analytmenge ist, die benötigt wird, um eine Erfassung zu bewirken. Dies bleibt gültig, während die Lei stung zunimmt, bis Sättigungs- oder Auslöschungs-Effekte be ginnen, aufzutreten.

Eine Möglichkeit, die Leistung zu erhöhen, besteht darin, eine intensivere Lichtquelle zu verwenden, wobei dies jedoch den elektrischen Leistungsverbrauch und die physikalische Größe des Detektors erhöht. Das bevorzugte Ausführungsbei spiel dieser Erfindung nutzt jedoch die Eigenschaft aus, daß die Intensität des elektromagnetischen Feldes innerhalb des Hohlraums eines optischen Resonators häufig um viele Größen ordnungen größer als die Intensität des einfallenden Lichts außerhalb des Hohlraums ist.

Resonanzhohlraum zur Erzeugung eines abklingenden Feldes

Obwohl die Anwendung der vorliegenden Erfindung nicht durch irgendeine Theorie begrenzt ist, wird die folgende Beschrei bung geboten, um das Verstehen der Erfindung für Fachleute zu erleichtern. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine TIR-Oberfläche in einem Re sonanzhohlraum angeordnet (d. h. einem Resonanzhohlraum oder einem optischen Hohlraum), um ein abklingendes Feld zum An regen von Analyten zu liefern. Bei diesem Ausführungsbei spiel wird Licht vorzugsweise durch die TIR-Oberfläche im wesentlichen ohne Verluste reflektiert. Licht wird bei spielsweise mit einem Verlust von etwa 10 ppm (ppm = parts per million = Teile pro Million) bis 1000 ppm der Intensi tät durch die TIR-Oberfläche reflektiert. Ein Ausführungs beispiel einer derartigen Vorrichtung (d. h. mit einer TIR- Oberfläche in einem Resonanzhohlraum) zum Analysieren einer Zielsubstanz auf einem Pixelarray gemäß der vorliegenden Er findung ist in Fig. 4 dargestellt.

Wenn Licht durch ein Medium fällt, kann dasselbe totalre flektiert werden, wenn es auf eine Grenzfläche mit einem weiteren Medium eines geringeren Brechungsindexes trifft. Dieses Phänomen wird als innere Totalreflexion (TIR) be zeichnet und tritt für Einfallswinkel, Θ, auf, die größer sind als ein kritischer Winkel Θ_c. Das elektromagnetische Feld breitet sich dann nicht länger in dem zweiten Medium aus, sondern klingt vielmehr exponentiell von der Grenz fläche weg ab.

In seiner einfachsten Form weist ein optischer Resonator ei nen Resonanzhohlraum auf, der aus mehreren verspiegelten Oberflächen besteht, die derart angeordnet sind, daß einfal lendes Licht eingefangen und zwischen den Spiegeln vor- und zurückgeworfen wird. Als ein Beispiel sei der Fall betrach tet, bei dem einer der Spiegel ein Prisma ist, wobei sich eine Fläche (eine TIR-Oberfläche), die den Lichtstrahl total reflektiert, in dem Resonanzhohlraum (der Innenhohlraum strahl) befindet. An dem Punkt der Reflexion auf der Pris menoberfläche wird eine abklingende Welle mit einer charak teristischen Abklingtiefe von typischerweise einer optischen Wellenlänge erzeugt. Daher ist das Licht an der TIR-Oberflä che auf die Oberfläche begrenzt und interagiert nur mit Zielchemikalien in der Abklingtiefe der Oberfläche.

Eine elektromagnetische Welle ist in eine spezielle Richtung abklingend, wenn sie in dieser Richtung eine konstante Phase beibehält, jedoch eine exponentiell abnehmende Amplitude aufweist. In dem Fall der TIR bewirkt Licht in der Form ei ner unbegrenzten ebenen Welle ein exponentiell abnehmendes, abklingendes, elektromagnetisches Feld über eine unbegrenz te, ebene TIR-Oberflächengrenze hinaus. Obwohl das elektri sche Feld Geschwindigkeitskomponenten in der Ebene der TIR-Grenze aufweist, existiert keine Geschwindigkeitskomponente senkrecht zu und über diese Grenze hinaus. In anderen Worten heißt das, daß für den idealisierten Fall nur ein Potential gradient über eine TIR-Grenze hinaus eingeführt wird, jedoch keine Energie tatsächlich über die Grenze hinaus transpor tiert wird.

Bei praktischen Anwendungen ist jedoch weder das einfallende elektromagnetische Feld noch die TIR-Oberfläche unbegrenzt. Bei einer solchen begrenzten Konfiguration wird ein bestimm ter Teil des Lichts in der Grenze gebeugt (d. h. eine be stimmte Energie wird gerade über die Grenze hinausfließen), wird zu der Grenze "zurückgebeugt", betritt erneut das An fangsmedium und verläßt dasselbe dann um einen kleinen Ab stand entfernt von seinem Eintrittspunkt; dies ist als der Goos-Hänchen-Effekt bekannt. Bei dieser Erfindung ist diese Verschiebung vernachlässigbar. Der große elektromagnetische Potentialgradient über die Grenze hinaus bleibt jedoch.

Fig. 4 ist eine vereinfachte schematische Darstellung eines optischen Stehwellenresonators, der gemäß der Erfindung ver wendet wird. Bei dem vereinfachten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in Fig. 4 gezeigt ist, ist angenommen, daß sich eine Lichtquelle außerhalb des Resonanzhohlraums befin det (obwohl andere Systeme ebenfalls durchführbar sind). Wie in Fig. 4 gezeigt ist, umfaßt der einfache optische Resona tor einen Eintrittsspiegel 420, einen Reflektorspiegel 422 und ein reflektierendes Element 424, das eine TIR-Oberfläche 426 aufweist. Die Spiegel 420, 422 können entweder flach oder gekrümmt sein, und können unter Verwendung herkömmli cher Kriterien gewählt sein, um geeignet zu sein, um ein stabiles Hohlraumfeld zu erzeugen, wobei dies in der Technik gut bekannt ist. Ferner kann der Reflektorspiegel 422 einen Teil des auftreffenden Lichts reflektieren, um ein stabiles Hohlraumfeld zu erzeugen, und ermöglichen, daß ein Teil des Lichts austritt. Geeignete, stabile Hohlraumfelder können ferner unter Verwendung einer Konfiguration mit mehr als zwei Spiegeln erzeugt werden.

Licht wird durch eine herkömmliche Lichtquelle 425, die vor zugsweise ein Medium mit einer optischen Verstärkung ist, erzeugt. Die Lichtquelle 425 kann sich entweder außerhalb des Resonanzhohlraums befinden, wie in Fig. 4 gezeigt ist, oder kann in den Hohlraum eingebaut sein. Bei Ausführungs beispielen der Erfindung, die eine äußere Lichtquelle ver wenden, besitzt das Licht, das den Hohlraum betritt, eine Einfallsintensität I_inc. In diesem Fall kann die Lichtquelle ferner weitere bekannte optische Komponenten (beispielsweise Linsen) aufweisen, die ermöglichen, daß dieselbe ein stabi les Hohlraumfeld erzeugt. Bei allen Ausführungsbeispielen ist die Intensität des zirkulierenden Feldes gerade inner halb des Eintrittsspiegels 420 I_circ.

Ein Einfallswinkel ist als der Winkel Θ zwischen dem Weg des Lichts, das auf die TIR-Oberfläche einfällt, und der Senk rechten zu der TIR-Oberfläche an dem Punkt des Einfalls (die durch die gestrichelte Linie 428 senkrecht zu der Oberfläche 426 gezeigt ist) definiert. Nur zu Zwecken der Klarheit der Erklärung und der Analyse ist die TIR-Oberfläche 426 als ei ne Ebene dargestellt. Dies ist für die Erfindung nicht not wendig; die Definition der Einfallswinkel für nicht-planare oder stückweise planare Oberflächen ist auf dem Gebiet der Optik gut bekannt.

Um eine Grundlage zur Bestimmung der Empfindlichkeit der verschiedenen Ausführungsbeispiele der Erfindung, die nach folgend beschrieben werden, zu bestimmen, ist es nützlich, die Intensität der elektromagnetischen Felder sowohl inner halb des Resonators als auch von demselben durchgelassen zu bestimmen. Ausschließlich zu Zwecken der Klarheit betrachtet die folgende Analyse nur eine TIR-Oberfläche in dem Reso nanzhohlraum. Fachleute könnten jedoch die Analyse ohne wei teres unter Verwendung bekannter mathematischer Techniken erweitern, um viele TIR-Oberflächen zu umfassen. Diese Er findung ist auf Erfassungssysteme mit einer beliebigen An zahl von Innenhohlraum-TIR-Oberflächen anwendbar.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer einzelnen TIR-Oberfläche innerhalb des Resonatorhohlraums. Dies ist ähnlich zu dem System, das in dem US-Patent Nr. 5.437.840 (King u. a.) offenbart ist, das in seiner Gesamt heit hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist. In Fig. 4 ist das reflektierende TIR-Element oder das Bauglied 424 als ein Prisma dargestellt, so daß die TIR-Oberfläche 426 eine Flä che des Prismas ist. Es sei bemerkt, daß, wenn das reflek tierende Element gewählt ist, um ein Prisma zu sein, es nicht notwendig ist, daß dasselbe ein rechtwinkliges Prisma ist. Außerdem ist es für die Erfindung nicht notwendig, daß die TIR-Oberfläche eben ist. Wie oben herausgestellt wurde, kann die TIR-Oberfläche gekrümmt (beispielsweise für be stimmte optische Fasern) oder stückweise planar oder beides sein.

Ein Prisma ist nur ein Beispiel eines geeigneten TIR-Ele ments; weitere Beispiele umfassen einen Wellenleiter und ei ne Faser, wobei in diesen Fällen mehrere TIR-Oberflächen existieren können. Außerdem kann sich die TIR-Oberfläche 426 auf einer optisch transparenten Substratoberfläche, bei spielsweise einem Glasträger, einem optischen Film oder der gleichen, befinden, die mit dem TIR-Element auf eine her kömmliche Art und Weise optisch gekoppelt ist, beispielswei se unter Verwendung eines komprimierbaren optischen Polymers oder eines Brechungsindex-Anpassungsöls. Die Substratober fläche kann von dem TIR-Element entfernbar sein, und kann sogar entsorgbar sein. Wenn die Testprobe (die die Zielsub stanzen enthält) direkt an dem TIR-Element angebracht ist, beispielsweise dem Prisma, kann es notwendig sein, das Pris ma zu reinigen oder zu ersetzen, bevor eine weitere Substanz getestet wird, wobei die Ausrichtung des Prismas dann über prüft und möglicherweise neu eingestellt werden müßte. Das Vorsehen eines wechselbaren Substrats (beispielsweise mit tels eines Brechungsindex-Anpassungsöls beispielsweise auf einem Prisma) beseitigt die Kosten und den Aufwand, die beim Sicherstellen, daß das Prisma sauber und ausgerichtet ist, enthalten ist, oder reduziert dieselben zumindest stark.

Um die Analyse mit Klarheit fortzusetzen, sei angenommen, daß alle elektromagnetischen Felder in dem Resonator ebene Wellen sind. Wiederum werden Fachleute auf dem Gebiet der Optik ohne weiteres in der Lage sein, die Analyse auf Aus führungsbeispiele der Erfindung zu erweitern, für die diese Annahme nicht gültig ist. Der Leistungsreflexionskoeffizient R_i des i-ten Spiegels (in dem allgemeinen Fall mit I Spie geln) ist gegeben durch R_i = r_i² (für das Ausführungsbei spiel mit zwei Spiegeln, das in Fig. 4 gezeigt ist, I = 1, 2), wobei r_i die Bruchgröße des Reflexionslichtfeldes des i-ten Spiegels ist. Es sei nun angenommen, daß das reflek tierende Element 424 (bei dem dargestellten Ausführungsbei spiel ein Prisma) Niederverlust-Eintritts- und -Austritts- Flächen aufweist. Der Reflexionskoeffizient des Prismas ist daher R_p = |r_p|² und ist nur durch die TIR-Oberfläche 426 bestimmt. Gemäß der Erfindung wird ein Array 430, das die Probe(n) enthält, die analysiert werden sollen, unmittelbar benachbart zu der TIR-Oberfläche 426 angeordnet. Wie nach folgend erklärt wird, befindet sich das Probenarray vorzugs weise innerhalb etwa einer optischen Wellenlänge von der TIR-Oberfläche.

Die optischen Eigenschaften der Proben (auf dem Array 430) auf der TIR-Oberfläche 426 sind durch den Probenbrechungs index n_s beschrieben. Der Wert von r_p hängt von n_s, dem Bre chungsindex des Prismas (oder eines anderen reflektierenden Elements), n_p und schließlich von dem Einfallswinkel Θ ab. Für transversal magnetisch (TM) oder parallel polarisiertes Licht kann gezeigt werden, daß folgende Gleichung gilt (sie he bespielsweise Lorrain, P. und Corson, D., Electromagnetic Fields and Waves, W.H. Freeman, San Francisco, 1970):

wobei n-n_s = n_s/n_p. Für sin Θ < n (d. h. Θ < Θ_c, d. h. Θ größer als der kritische Winkel Θ_c für eine TIR (innere To talreflexion)) ist r_p komplex und das negative Vorzeichen vor der Quadratwurzel gilt. Der Wert von r_p kann praktischer in einer Zeigerschreibweise ausgedrückt werden: r_p = r·e^j ^Φ. Wenn eine TIR stattfindet, r = 1, weist das reflektier te Licht eine Phasenverschiebung Φ auf, und R_p = 1.

Der Leistungsübertragungskoeffizient T_i für das i-te einer Reihe von (p) reflektierenden Elementen ist durch T_i = 1-R_i; i = 1, 2, . . ., p gegeben (in Fig. 4 ist nur eines ge zeigt - das Prisma 424 -, so daß p = 1). Für eine gegebene Lichtintensität I_inc, die auf den Resonator einfällt, ist die Intensität I_circ des zirkulierenden Feldes gerade inner halb des Eintrittsspiegels 420 (Fig. 4) durch folgendes Ver hältnis bestimmt:

wobei α der Spannungsabsorptionskoeffizient in dem Resonator ist, L die Umlaufweglänge ist, und ω die Winkelfrequenz des Lichtes ist. (Siehe beispielsweise Siegman, A.E. Lasers, Kap. 11, University Science Books, Mill Valley, Kalifornien, 1986). Gleichung 2 gilt streng nur gerade innerhalb des Ein trittsspiegels 420, wobei jedoch für einen Stehwellenresona tor mit geringem Verlust, beispielsweise den, der in Fig. 4 dargestellt ist, die mittlere Intensität überall in dem Re sonator näherungsweise 2 I_circ ist.

Ausgehend von Gleichung 2 kann ohne weiteres gezeigt werden, daß, wenn r_p² = 1 (d. h. einer einfachen Reflexion von einem Spiegel), I_circ für Frequenzen ω = ω_m, die folgender Glei chung genügen, bei einem Maximum ist:

Gleichung 3 definiert die Resonanzmodefrequenzen ω_m des Re sonators. Diese Frequenzen sind voneinander durch einen Wert 2πc/L getrennt, der allgemein als Modenabstand bezeichnet wird.

Das Betrachten von r_p² = r²e^2j ^Φ und Einsetzen für r_p in Gleichung 2 ergibt:

wobei Ω = ω-(2πc)/L. Es kann auch eine kleine Lichtmenge I_trans existieren, die den Spiegel 422 verläßt.

In der gesamten Literatur wurden viele unterschiedliche Strukturen mit Resonanzhohlraum (optischer Hohlraum) be zeichnet, basierend nur auf der Tatsache, daß dieselben ei nen bestimmten Nutzen einer konstruktiven Interferenz von Lichtwellen bewirken. Eine konstruktive Interferenz allein reicht jedoch nicht aus, um einen praktischen optischen Wandler mit einer hohen Empfindlichkeit zu erzeugen. Die Figuren in der vorliegenden Offenbarung zeigen lineare Resona toren nur zu dem Zweck der Darstellung. Jedoch kann selbst für nicht-lineare Resonatoren (beispielsweise einen Ringre sonator) das Verfahren der Erfindung auf die gleiche Weise durchgeführt werden wie für lineare Resonatoren: ein Analyt oder eine Probe, die analysiert werden soll, wird auf einem Array in der Region des abklingenden Feldes einer TIR-Ober fläche plaziert, welche eine Oberfläche eines reflektieren den Elements ist, das in dem Hohlraum eines optischen Reso nators angeordnet ist.

Die Wahl des optischen Resonators, der bei einer speziellen Anwendung der Erfindung verwendet wird, wird von den Bedürf nissen und Charakteristika dieser Anwendung abhängen. Bei vielen Anwendungen können komplexere Resonatoren, beispiels weise diejenigen, die von A.E. Siegman, Lasers, University Science Books, Mill Valley, CA, 1986, beschrieben sind, ge eigneter sein als der einfache Resonator, der schematisch in den Figuren hierin gezeigt ist. Beispiele geeigneter Resona toren umfassen einen Fabry-Perot-Resonator, einen "V"-förmi gen Resonator, einen Michaelson-Spiegelresonator, einen Fox-Smith-Resonator und einen Sagnac-Resonator. Der große Vorteil dieser Strukturen besteht darin, daß dieselben sta bile optische Moden mit geringem Verlust erzeugen. Dies be deutet, daß ein größerer Teil des verfügbaren Lichts für Er fassungsanwendungen genutzt werden kann. Während die meisten brauchbaren Resonatoren Gaußsche Strahlprofile aufweisen, geht die Analyse, die oben verwendet ist, ferner von plana ren Wellen aus. Wie oben erwähnt wurde, ist diese Annahme jedoch nur zu dem Zweck der Klarheit und Einfachheit der Darstellung durchgeführt und kann auf nicht-planare Ausfüh rungsbeispiele erweitert werden. In anderen Worten heißt das, daß die Ergebnisse, die unter Verwendung der Annahme ebener Wellen erhalten werden, im wesentlichen die gleichen sind wie die für kompliziertere Konfigurationen, wobei je doch die Analyse stark vereinfacht ist.

Unter Verwendung eines Diodenlasers als einer Lichtquelle könnte ferner ein vollständig integrierter Festkörperwandler aufgebaut werden, der zur Verwendung mit der Erfindung ge eignet ist. Die Erfindung kann ferner einen Resonator ein schließen, der bei einer Wellenlänge gepumpt wird, und der innerhalb des Hohlraums eine andere Wellenlänge erzeugt (siehe beispielsweise Kozlovsky, W.J., Nabors, C.D. und Byer, R.L., "Efficient second harmonic generation of diode laser-pumped cw Nd:YAG laser using monolithic MgO:LiNbO₃ external resonant cavities", I.E.E.E.J. Quant. Elec., Bd. 24, 913 (1988)); dies würde die Verwendung einer Hochlei stungsquelle bei unterschiedlichen Wellenlängen ermöglichen.

Es existieren viele reflektierende Elemente mit geeigneten TIR-Oberflächen, die in einem optischen Resonator gemäß der Erfindung eingeschlossen sein könnten. Viele der Substrate, die abklingende optische Felder unterstützen können, können zur Polymerarraysynthese verwendet werden. Wichtig für die vorliegende Erfindung ist die Verwendung einer Oberfläche mit innerer Totalreflexion (TIR), auf der ein chemisches Array gebildet ist. Die TIR-Oberfläche ist Teil eines TIR- Elements. Beispiele von optischen Elementen (um ein Substrat zu liefern), die abklingende Felder unterstützen können, um fassen Prismen (beispielsweise Dove-Prismen), Wellenleiter, Fasern und dünne metallische Filme. Licht wird durch die TIR begrenzt, um sich in einem Wellenleiter auszubreiten. Es ist gut bekannt, daß Kanalwellenleiter hergestellt werden kön nen, indem Titan in ein Lithium-Niobat-Substrat diffundiert wird (Salah und Teich, Fundamentais of Photonics, Wiley-In terscience, New York, 1991, S. 261). Ein chemisches Array kann auf der exponierten Oberfläche des Wellenleitersub strats gebildet werden, wie oben umrissen wurde. Die Plat tierung von einer optischen Faser kann entfernt werden, und ein lineares Array kann aufgebracht werden. Monolithische Resonatoren könnten ebenfalls aus einem einzelnen Stück ei nes geeigneten Materials oder durch das Beschichten geeig neter Spiegeloberflächen auf den Endflächen einer Faser oder eines Wellenleiters hergestellt werden. Beispielsweise be schreiben auf Gebieten, die sich nicht auf eine chemische Erfassung beziehen, Kane, T.J. und Byer, R.L., in "Mono lithic unidirectional single mode Nd:YAG ring laser", opt. Lett., Bd. 10, 65 (1985), einen monolithischen nicht-plana ren Ringresonator. In gleicher Weise ist ein monolithischer Miniatur-Ringresonator mit einer Finesse von 5.100 in dem Artikel "Fused-silica monolithic total-internal-reflection resonator", Schiller, S., Yu, I.I., Fejer, M.M. und Byer, R.L., Opt. Lett., Bd. 17, 378 (1992), und in dem US-Patent Nr. 5.038.352 (Lenth und Risk, 6. August 1991), beschrieben.

Ausführungsbeispiele einer Intensitäts-abhängigen, abklingenden Anregung

Einige der bevorzugten Ausführungsbeispiele dieser Erfindung benutzen vorteilhafterweise die hohe Lichtintensität inner halb eines Resonanzhohlraums, um eine abklingende Anregung von Molekülen in einem Array hervorzurufen. Diese hohe (er höhte) Intensität kann durch Auswerten der Gleichung 2 ge zeigt werden, unter der Annahme, daß keine Innenhohlraumver luste (α = 0) existieren, gleiche Spiegelreflexionsvermögen vorliegen, R = R₁ = R₂, Θ < Θ_c, d. h. eine Totalreflexion (TIR), und daß die Frequenz des einfallenden Lichts auf eine Hohlraumresonanz abgestimmt ist. Für diese Bedingungen redu ziert sich Gleichung 2 auf I_circ/I_inc = 1/(1-R). Es sind ohne weiteres Spiegel erhältlich (beispielsweise von Re search Electro-Optics, Boulder, Colorado), die so geringe Verluste wie 20 ppm aufweisen (R = 0,99998), was einen theo retischen Innenhohlraum-Verstärkungsfaktor von I_circ/I_inc = 1/(1-R) = 50 000 zur Folge hat. Obwohl andere Innenhohl raumverluste diese Zahl verringern, sind unter Verwendung der Erfindung und kommerziell erhältlicher Spiegel ohne wei teres experimentelle Verstärkungsfaktoren von mehr als 10³ erreichbar.

Fig. 5 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer ab klingenden Anregung bei dieser Erfindung, das eine externe Lichtquelle verwendet und eine Spiegelanordnung aufweist, die sich von der in Fig. 4 unterscheidet. Merkmale dieses Ausführungsbeispiels, die funktionell die gleichen sind wie diejenigen, die in Fig. 4 beschrieben sind, weisen in Fig. 5 die gleichen Bezugszeichen wie die in Fig. 4 auf. Die Quelle 425 ist unter Verwendung von Techniken, die in der Technik gut bekannt sind, auf die Resonanzfrequenz des Hohlraums Frequenz-verriegelt.

Da die Erfindung mit einer Lichtquelle arbeiten kann, und dies vorzugsweise tut, die extern, jedoch Frequenz-verrie gelt auf den Hohlraum ist, kann die Lichtquelle ein Halblei terlaser sein, beispielsweise ein Diodenlaser oder eine Su perlumineszenzdiode, die vorzugsweise antireflexionsbe schichtet ist. Dies gibt der Erfindung einen großen Vorteil gegenüber herkömmlichen Systemen, bei denen sich das Laser verstärkungsmedium innerhalb des optischen Resonators (des optischen Hohlraums) befindet. Diodenlaser und andere Licht erzeugende Halbleiterbauelemente sind Miniaturbauelemente, die typischerweise von zehn- bis zu einhundert-mal weniger Strom benötigen als Innenverstärkungsmedien und die, wenn sie wie bei dieser Erfindung mit einem externen optischen Resonanzhohlraum gekoppelt sind, mit der gleichen oder sogar einer höheren Innenhohlraumleistung betrieben werden können. Systeme mit einem Innenverstärkungsmedium können nicht der art kompakte Halbleiterbauelemente als ihre Lichtquelle ver wenden, da diese Bauelemente typischerweise dem starken Feld, das in dem Hohlraum erzeugt wird, nicht standhalten. Derartige Systeme sind folglich dahingehend begrenzt, daß dieselben keine Möglichkeit liefern, Diodenlaser zu verwen den und durch eine große Innenhohlraumleistung eine hohe Empfindlichkeit beizubehalten. Halbleiter-Lichtquellen, bei spielsweise Diodenlaser, ermöglichen ferner, daß kleine op tische Hohlräume verwendet werden. Dies besitzt den zusätz lichen Vorteil, daß die Größe des Erfassungssystems insge samt reduziert sein kann.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Prisma als das reflektierende Element 424 verwendet. Das Prisma 424 weist eine TIR-Fläche (oder Oberfläche) 426 auf, an der die Erfassung durchgeführt wird, wobei ihre Eintritt- und Aus tritt-Flächen vorzugsweise im Brewster-Winkel angeordnet sind, um Verluste zu minimieren. Wie oben erläutert wurde, können statt eines Prismas andere Bauglieder oder Elemente verwendet werden, um die TIR-Oberfläche zu liefern. Der Zweiweg-Lichtweg in dem Hohlraum ist durch eine Linie 427 angezeigt, die in zwei Richtungen gerichtete Pfeile zeigt. Die Zielsubstanz, d. h. das Analyt (beispielsweise auf einem Polymerarray) 430 ist auf irgendeine herkömmliche Art und Weise an der TIR-Oberfläche 426 befestigt, derart, daß die selbe innerhalb der Region des abklingenden Felds des Lichts, das von der TIR-Oberfläche 426 reflektiert wird, ist. Geeignete Analytbefestigungsverfahren, die eine di rekte, eine erneuerbare oder eine nicht-erneuerbare chemi sche Befestigung umfassen, können wie bei den vorher genann ten Verfahren verwendet werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel, das in Fig. 5 gezeigt ist, bil det der Spiegel 420 noch einen Eintrittsspiegel, da Licht von der Quelle 425 durch denselben in den Resonanzhohlraum ein fällt, wobei jedoch kein Licht durch den Spiegel 422 durch gelassen wird. Bei weiteren Ausführungsbeispielen der Erfin dung kann die Lichtquelle 425 zwischen den Spiegeln 420, 422 in dem optischen Weg eingeschlossen sein. Abhängig von dem Ausführungsbeispiel werden keiner, einer oder beide der Spiegel 420, 422 teilweise durchlässig sein, oder werden teilweise oder vollständig reflektierend sein.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sei angenommen, daß das Ana lyt entweder beim Vorliegen einer elektromagnetischen Anre gung von Natur aus fluoresziert, oder mit einer fluoreszie renden Kennung, beispielsweise einem Fluorophor, versehen ist. Wie oben erwähnt wurde, ist die abklingende Intensität I_circ um viele Größenordnungen größer als die einfallende Intensität I_inc. Daher wird der Grad der elektromagnetischen Anregung in der abklingenden Feldregion an der TIR-Oberflä che ebenfalls um viele Größenordnungen größer sein als der Grad der Anregung, die von dem einfallenden Licht erhalten werden kann. Das abklingende Feld wird daher entweder eine erfaßbare Fluoreszenz bei viel kleineren Mengen des Analyts bewirken, die durch herkömmliche Systeme benötigt werden, oder wird in der Lage sein, eine äquivalente erfaßbare Fluo reszenz unter Verwendung einer viel geringeren optischen Quellenleistung zu bewirken.

Eine Fluoreszenz von dem Analyt (von einem Array 430) ist in Fig. 5 durch drei nach außen strahlende Pfeile angezeigt, und wird durch einen herkömmlichen Fluoreszenzdetektor 434 erfaßt. Der Fluoreszenzdetektor 434 kann irgendein bekanntes Gerät sein, das in der Lage ist, Licht von einem Array zu erfassen, und vorzugsweise elektrische Ausgangssignale zu erzeugen, die der Intensität des Lichts von der Fluoreszenz entsprechen, das auf die Erfassungsoberfläche oder die -Ele mente desselben trifft. Der Fluoreszenzdetektor 434 ist vor zugsweise mit einem Prozessor 436 verbunden, der bekannte Verfahren verwendet, um die Signale von dem Detektor 434 in eine Form umzuwandeln, die für eine Übertragung zu einem an deren System und/oder für eine Anzeige auf einem herkömmli chen Anzeigegerät 438 geeignet sind.

Gemäß der Erfindung können das Verstärkungsmedium oder die Quelle 425 (einschließlich einer weiteren herkömmlichen Optik), der Resonator und der Fluoreszenzdetektor 434 in ei nem einzelnen, kompakten, monolithischen Bauelement herge stellt sein. Ein solches Gerät würde sehr wenig elektrische Leistung verbrauchen, jedoch noch eine Empfindlichkeit auf weisen, die gleich oder größer als die existierender Geräte ist. Dies ist für das Analysieren von Polymerarrays aufgrund der großen Oberfläche, die durch ein Array besetzt wird, be sonders vorteilhaft. Die Fähigkeit, eine adäquate Anregungs menge in dem Array für eine Erfassung mit einer geringen elektrischen Leistung zu erzeugen, macht gemäß der vorlie genden Erfindung ein kompaktes monolithisches Bauelement möglich. Wie vorher beschrieben wurde, können bei anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung Wellenleiter oder Fasern als das reflektierende Element 424 an der Stelle des Pris mas, das in Fig. 5 gezeigt ist, verwendet sein.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das den Verstärkungsfaktor des Resonators durch den Einschluß eines reflektierenden Elements, das ebenfalls eine optische Ver stärkung (α < 0) aufweist, erhöht. Bei diesem Ausführungs beispiel weist der Resonator einen Faserlaser 444 auf (wobei zu Zwecken der Klarheit nur ein Abschnitt der Faser dieser sonst bekannten Vorrichtung dargestellt ist), wobei eine TIR-Oberfläche 446 durch die Entfernung eines Abschnitts der Beschichtung 448, die die tatsächliche optische Faser (bei spielsweise die Faser 450) typischerweise umgibt, entfernt ist. Die Lichtquelle, die Spiegel und die Erfassungs- und Verarbeitungs-Schaltung sind zum Zweck der Klarheit der Dar stellung nicht gezeigt; diese Elemente können die gleichen sein - physikalisch und/oder funktionell - wie diejenigen, die oben für das Ausführungsbeispiel, das in Fig. 5 gezeigt ist, beschrieben wurden.

Da ein Faserlaser typischerweise eine optische Verstärkung aufweist, wird das abklingende Feld in der unbeschichteten Region, die die TIR-Oberfläche bildet, sehr groß sein. Die Erfassung einer Fluoreszenz (bei Anwendungen, die fluores zierende Analyte verwenden) wird vorzugsweise unter Verwen dung einer Erfassungs- und Verarbeitungs-Schaltung, wie sie für Fig. 5 gezeigt und beschrieben ist, durchgeführt, wobei das Analyt in dem Array 430 benachbart zu dem "Fenster" in der Beschichtung befestigt ist, d. h. benachbart zu der TIR- Oberfläche 446. In gleicher Weise können Wellenleiter auf eine analoge Art und Weise verwendet werden. Selbstverständ lich weisen Wellenleiter nicht notwendigerweise eine zylind rische Form auf, solange Oberflächen innerhalb des Wellen leiters für die Ausbreitung des Lichts existieren. Eine Oberfläche auf dem Wellenleiter kann als die TIR-Oberfläche zur Erzeugung des abklingenden Felds verwendet werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann, wie vorher erwähnt wurde, die Quelle 425 innerhalb des Resonanzhohlraums von Fig. 5 plaziert sein. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es möglich, daß die Lichtquelle eine unterschiedliche, herkömm liche Optik erfordert, wobei die benötigten Änderungen Fach leuten jedoch bekannt sind. Eine geeignete Lichtquelle für dieses Ausführungsbeispiel wäre eine Helium-Neon-Laserröhre. Es sind Helium-Neon-Laser kommerziell erhältlich, die zirku lierende Leistungen von mehr als 100 W aufweisen, jedoch noch ziemlich kompakt sind. Eine geeignete Laserröhre wird beispielsweise von Particle Measurement Systems aus Boulder, Colorado, USA, hergestellt. Selbstverständlich können jedoch andere Lasertypen verwendet werden. Das Erfassen einer Fluo reszenz wird wie bei dem Ausführungsbeispiel, das in Fig. 5 gezeigt ist, durchgeführt.

Bei den Ausführungsbeispielen, die in den Fig. 5 bis 6 ge zeigt sind, wird die große Intensität des abklingenden In nenhohlraumfeldes verwendet, um eine Fluoreszenz von Mole külen in einer großen Anzahl von Pixeln in der Nähe der TIR-Oberfläche anzuregen. Da selbst Spurenmengen des fluo reszierenden Analyts erfaßt werden können, wirkt die Fluo reszenz nicht als ein signifikanter Verlustmechanismus für den Resonator, wobei das Licht in dem Resonator auf einer hohen Intensität gehalten werden kann.

Als ein Beispiel dessen, wie die vorliegende Erfindung ver wendet werden kann, sei beispielsweise die Sequenzierung ei ner DNA mit einem Array aller möglichen 65 000 8-Mere be trachtet. Jedes Arraypixel besteht aus einem eindeutigen 8-Mer. Die Verfahren von Fodor u. a., siehe oben, werden zum Erzeugen dieses Arrays und zur Sequenzierung der DNA unter Verwendung einer Fluoreszenz verwendet. Das Ergebnis besteht darin, daß jedes Pixel eine Anzahl von Fluorophoren enthält. Ein geeignetes Fluorophor ist CY5. Dieses Array ist bei 430 in Fig. 4 dargestellt. Es werden zumindest etwa 650 W benö tigt, um alle Arraypixel gleichzeitig optisch zu untersu chen. Diese Leistung ist unter Verwendung der folgenden Kom ponenten erreichbar. Bezugnehmend auf Fig. 4: ein Diodenla ser, beispielsweise der Philips CQL806D, der antireflexions beschichtet wurde, wird zum Emittieren von Laserlicht ver wendet. Zirkularisierungs- und Fokussierungs-Linsen passen die Diodenlaserausgabe für den optischen Hohlraum, der durch die Spiegel 420, 422 und das TIR-Element 424 gebildet ist, an. Der Spiegel 420 besitzt einen Transmissionsverlust zwi schen 1000 ppm und 1 ppm, vorzugsweise von 200 ppm bis 600 ppm. Der Spiegel 422 weist einen Transmissionsverlust von zwischen 1000 ppm und 1 ppm, vorzugsweise 10 ppm auf. Der Abstand der Spiegel 420 und 422 und ihre Krümmung ist geeig net, um einen Punkt zu bilden, der das gesamte Array be leuchtet. Geeignete Beabstandungen lauten von etwa 5 cm bis 1 m, und Krümmungen sind von etwa flach bis 5 cm. Der Detek tor (der in Fig. 4 nicht gezeigt ist, jedoch bei 120 in Fig. 5 gezeigt ist), kann ein herkömmliches CCD des Typs sein, das von Hammamatsu geliefert wird.

Claims

1. Vorrichtung (100) zum Erfassen einer Zielsubstanz in einem Pixelarray mit folgenden Merkmalen:

(a) einer Lichtquelle (106), um Licht zu emittieren, das zur Anregung der Zielsubstanz geeignet ist;
(b) einem Bauglied (102) mit innerer Totalreflexion (TIR) mit einer Oberfläche (112) mit innerer To talreflexion, auf der ein Pixelarray (110) ange ordnet ist, wobei das Licht von der Lichtquelle in das Bauglied mit innerer Totalreflexion gelangt und durch die Oberfläche mit innerer Totalrefle xion reflektiert wird, wobei das Pixelarray inner halb einer Region eines abklingenden Feldes an der Oberfläche mit innerer Totalreflexion ist; und
(c) einem Lichtdetektor (120) zum Erfassen von Licht, das als ein Ergebnis der abklingenden Anregung der Zielsubstanz von dem Pixelarray emittiert wird.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, die ferner einen opti schen Resonator (308, 318) aufweist, der einen Reso nanzhohlraum für das Licht, das durch die Lichtquelle (106) erzeugt wird, aufweist, wobei das Bauglied (104) mit innerer Totalreflexion innerhalb des Resonanzhohl raums angeordnet ist, derart, daß Licht, das sich in nerhalb des Resonanzhohlraums ausbreitet, auf die Ober fläche mit innerer Totalreflexion auftrifft.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der die Lichtquelle (106) ein Verstärkungsmedium eines Lasers ist und außerhalb des Resonanzhohlraums angeordnet ist.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der die Lichtquelle (106) ein antireflektierend beschichteter Halbleiterla ser ist.

5. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das Licht aus der Lichtquelle (106) im wesentlichen oh ne Verlust durch die Oberfläche (112) mit innerer To talreflexion reflektiert wird.

6. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, die fer ner eine Vorrichtung zum Einführen einer Probe, die die Zielsubstanz enthält, um ein Array in der abklingenden Feldregion zu kontaktieren, aufweist.

7. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Lichtquelle (106) alle Pixel des Pixelarrays gleichzeitig bestrahlt.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der das Bauglied mit innerer Totalreflexion (102) während der Lichterfassung stationär ist.

9. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der der Lichtdetektor (120) während der Lichterfassung be wegungslos ist.

10. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, die fer ner ein Prisma (104) und einen Brechungsindex-Anpas sungsfilm (108) aufweist, wobei der Brechungsindex-An passungsfilm zwischen dem Bauglied (102) mit innerer Totalreflexion und dem Prisma angeordnet ist, derart, daß das Licht von der Lichtquelle (106) durch das Pris ma, die Brechungsindex-Anpassungsschicht und das Bau glied mit innerer Totalreflexion gelangt, bevor es auf die Oberfläche mit innerer Totalreflexion trifft.

11. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der der Lichtdetektor (120) ein Detektor mit zweidimensio nalem Array ist.

12. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die Vorrichtung ferner ein optisches Filter (204) und optische Fasern aufweist, um Licht von dem optischen Filter zu dem Detektor zu übertragen.

13. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der Pixel in dem Pixelarray (110) Pixel sind, die polymeri sche Abschnitte zum Koppeln mit polymerischen Zielsub stanzen aufweisen.

14. Verfahren des Analysierens eines Pixelarrays (110) aus chemischen Molekülen für eine Zielsubstanz mit folgen den Schritten:

(a) Kontaktieren eines chemischen Arrays mit einer Probe, von der erwartet wird, daß dieselbe eine Zielsubstanz enthält, um das Pixelarray (110) zu bilden;
(b) Leiten von Licht von einer Lichtquelle (106) in ein Bauglied mit innerer Totalreflexion (TIR) (102) mit einer Oberfläche (112) mit innerer To talreflexion und einer Arrayoberfläche (112), auf der sich das Pixelarray (110) befindet, um eine Region eines abklingenden Feldes zu bewirken, derart, daß das Pixelarray in der Region mit dem abklingenden Feld an der Oberfläche mit innerer Totalreflexion ist, wodurch eine Anregung der Zielsubstanz auf dem Pixelarray bewirkt wird, wo bei das Licht von der Lichtquelle von der Oberflä che mit innerer Totalreflexion reflektiert wird; und
(c) Erfassen des Lichts, das als ein Ergebnis der Anregung der Zielsubstanz, die durch das abklin gende Feld bewirkt wird, von dem Pixelarray (110) emittiert wird.

15. Verfahren gemäß Anspruch 14, das ferner das Befestigen des Bauglieds (102) mit innerer Totalreflexion inner halb eines optischen Resonators (308, 318) aufweist, der einen Resonanzhohlraum für das Licht, das durch die Lichtquelle (106) erzeugt wird, aufweist, derart, daß Licht, das sich in dem Resonanzhohlraum ausbreitet, auf die Oberfläche (112) mit innerer Totalreflexion trifft.

16. Verfahren gemäß Anspruch 14 oder 15, bei dem das Licht von der Lichtquelle (106) im wesentlichen ohne Verlust durch die Oberfläche (112) mit innerer Totalreflexion reflektiert wird.

17. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem die Lichtquelle (106) alle Pixel des Pixelarrays (110) gleichzeitig bestrahlt.

18. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, bei dem das Bauglied (102) mit innerer Totalreflexion während der Lichterfassung stationär ist.

19. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 18, bei dem der Lichtdetektor (120) während der Lichterfassung be wegungslos ist.

20. Verfahren des Herstellens einer Vorrichtung zum Erfas sen einer Zielsubstanz auf einem Pixelarray mit folgen den Schritten:

(a) Befestigen eines Bauglieds (102) mit innerer To talreflexion (TIR) auf einem Träger, wobei das Bauglied mit innerer Totalreflexion eine Oberflä che (112) mit innerer Totalreflexion aufweist, auf der das Pixelarray positioniert werden kann, wobei das Pixelarray in der Lage ist, die Zielsubstanz zu binden;
(b) Befestigen einer Lichtquelle (106) auf dem Träger, um ein Licht abzustrahlen, das geeignet ist, um die Zielsubstanz auf einem Pixelarray, das auf der Oberfläche mit innerer Totalreflexion positioniert ist, anzuregen, derart, daß das Licht von der Lichtquelle in das Bauglied mit innerer Totalre flexion gelangt und durch die Oberfläche mit inne rer Totalreflexion reflektiert wird, um eine Re gion mit abklingendem Feld zu bewirken, wobei das Pixelarray in der Region mit dem abklingenden Feld an der Oberfläche mit innerer Totalreflexion ist; und
(c) Befestigen eines Lichtdetektors (120) auf dem Trä ger, um Licht zu erfassen, das als eine Folge der abklingenden Anregung der Zielsubstanz von dem Pi xelarray emittiert wird.