DE69915851T2

DE69915851T2 - Optischer sensor mit gestapelten dielektrischen schichten

Info

Publication number: DE69915851T2
Application number: DE69915851T
Authority: DE
Inventors: A. William CHALLENER; M. James DEPUYDT; A. William TOLBERT
Original assignee: Imation Corp
Current assignee: GlassBridge Enterprises Inc
Priority date: 1998-10-16
Filing date: 1999-09-09
Publication date: 2005-03-17
Anticipated expiration: 2019-09-10
Also published as: WO2000023793A1; EP1121583B1; JP2002527771A; US6320991B1; US6625336B2; US20020018610A1; DE69915851D1; EP1121583A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft generell das Gebiet der optischen Untersuchung und insbesondere einen optischen Sensor mit einem dielektrischen Folienstapel.
Hintergrund der Erfindung
Extrem empfindliche optische Sensoren werden durch Ausnutzen eines Effekts, der als Oberflächenplamsonresonanz (SPR) bekannt ist, konstruiert. Diese Sensoren sind in der Lage, das Vorhandensein einer Vielzahl von Materialien in Konzentrationen von Picomol pro Liter zu detektieren. SPR-Sensoren sind zum Detektieren zahlreicher Biomoleküle, einschließlich Keyhole-Limpet-Hemocyanin, α-Fetoprotein, IgE, IgG, Rinder- und Human-Serum-Albumin, Glucose, Harnstoff, Avidin, Lecithin, DNA, RNA, HIV-Antikörper, Human-Transferrin und Chymotrypsinogen, konstruiert. Ferner sind SPR-Sensoren gebaut worden, die Chemikalien, wie z. B. Polyazulen und Nitrobenzol und verschiedene Gase, wie z. B. Halothan, Trichlorethan und Kohlenstofftetrachlorid detektieren.
Ein SPR-Sensor wird durch Sensibilisieren einer Oberfläche eines Substrats gegenüber einer spezifischen Substanz konstruiert. Typischerweise ist die Oberfläche des Substrats mit einer dünnen Metallfolie, wie z. B, aus Silber, Gold oder Aluminium, beschichtet. Als nächstes wird eine monomolekulare Schicht aus Sensibilisiermaterial, wie z. B. einem Komplementärantigen, kovalent mit der Oberfläche der dünnen Folie verbondet. Auf diese Weise ist die dünne Folie in der Lage, mit einer vorbestimmten chemischen, biochemischen oder biologischen Substanz zu interagieren. Wenn ein SPR-Sensor einer Probe ausgesetzt ist, die eine Ziel-Substanz enthält, verbindet sich das Substrat mit dem Sensibilisiermaterial und verändert den effektiven Brechungsindex an der Oberfläche des Sensors. Das Detektieren der Ziel-Substanz erfolgt durch Beobachten der optischen Eigenschaften der Oberfläche des SPR-Sensors.
Es gibt zwei gängige Ausführungen eines SPR-Sensors. 1 zeigt einen auf einem Prisma basierenden SPR-Sensor 10, der die gängigste Form eines SPR-Sensors ist. Der Sensor 10 weist einen Einmal-Objektträger 20 auf, der auf einem festen Glasprisma 12 platziert ist. Der Objektträger 20 ist mit einer Metallfolie 16 beschichtet, und das Sensibilisiermaterial 22 ist in der Lage, mit der Ziel-Substanz 18 in der Probe 21 zu interagieren. Vor dem Platzieren des Objektträgers 20 auf dem Prisma 12 beschichtet ein Operator das Prisma 12 mit einer Antireflexionsbeschichtung 14, bei der es sich häufig um ein Fluid handelt, um zu verhindern, dass ein Lichtstrahl 24 reflektiert wird, bevor er die Metallfolienschicht 16 erreicht.
Eine Lichtquelle 28 erzeugt den Lichtstrahl 24, der auf den Sensor 10 auftrifft. Der Sensor 10 reflektiert den Lichtstrahl 24 als Lichtstrahl 26, der von einem Detektor 30 empfangen wird. Bei einem spezifischen Auftreffwinkel des Lichtstrahls 24, der als Resonanzwinkel bekannt ist, erfolgen ein sehr effizienter Energietransfer und eine sehr effiziente Anregung des Oberflächenplasmons in der Metallfolie 16. Folglich zeigt das reflektierte Licht 26 eine Anomalie, wie z. B. eine starke Dämpfung, und kann der Resonanzwinkel des Sensors 10 leicht detektiert werden. Wenn sich die Ziel-Substanz 18 mit dem Sensibilisiermaterial 22 verbindet, erfolgt eine Verschiebung des Resonanzwinkels aufgrund der Veränderung des Brechungsindex an der Oberfläche des Sensors 10. Ein quantitatives Maß der Konzentration der Ziel-Substanz 18 kann anhand der Größe der Verschiebung des Resonanzwinkels berechnet werden.
Eine zweite gängige Ausführung eines SPR-Sensors, der als auf einem Beugungsgitter basierender SPR-Sensor bekannt ist, beinhaltet die Verwendung eines Metall-Beugungsgitters anstelle eines Glasprismas. 2 zeigt einen auf einem Beugungsgitter basierenden SPR-Sensor 40, in dem ein Substrat 45 derart ausgebildet ist, dass es sinusförmige Nuten aufweist. Bei auf einem Beugungsgitter basierenden SPR-Sensoren liegt die Periode des Nutprofils des Substrats 45 typischerweise zwischen 0,4 μm und 2,0 μm. Eine dünne Metallfolie 42 ist außerhalb der Oberfläche des Substrats 45 aufgebracht und weist ein geeignetes Metall auf, wie z. B. Aluminium, Gold oder Silber. Bei einer Ausführungsform weist die Schicht 42 Silber mit einer Dicke von ungefähr 100 nm auf.
Eine Sensibilisierschicht 44 ist außerhalb der Metallfolie 42 aufgebracht. Die Sensibilisierschicht 44 ist derart gewählt, dass sie mit einer vorbestimmten chemischen, biochemischen oder biologischen Substanz 18 in einer Probe 21 interagiert. Bei einer Ausführungsform weist die Sensibilisierschicht 44 eine Antigenschicht auf, die in der Lage ist, einen komplementären Antikörper einzufangen. In letzter Zeit sind mehrere Techniken zum Verbinden von Antigenen als Empfangsmaterial mit der Folie 42 entwickelt worden, wie z. B. das Spin-Coating mit einer porösen Silica-Sol-Gel- oder Hydrogel-Matrix. Vorzugsweise hat die Sensibilisierschicht 44 eine Dicke von weniger als 100 nm.
In 2 erzeugt die Lichtquelle 28 den Lichtstrahl 24, der derart auf den Sensor 40 auftrifft, dass der Detektor 30 den reflektierten Lichtstrahl 26 empfängt. Bei auf einem Beugungsgitter basierenden SPR-Sensoren tritt eine Resonanz auf und zeigt der reflektierte Lichtstrahl 26 eine Anomalie, wenn eine Polarisationskomponente des Lichtstrahls 24 orthogonal zu der Nutrichtung der Oberfläche des Substrats 45 verläuft und der Auftreffwinkel des Lichtstrahls 24 für den Energietransfer und die Anregung des Oberflächenplasmons in der dünnen Metallfolie 42 geeignet ist.
Auf einem Beugungsgitter basierende SPR-Sensoren haben mehrere eindeutige Vorteile gegenüber auf einem Prisma basierenden SPR-Sensoren. Beispielsweise können die Resonanzwinkel von auf einem Beugungsgitter basie renden SPR-Sensoren durch Einstellen des Nutprofils feinabgestimmt werden. Ferner ist bei auf einem Beugungsgitter basierenden SPR-Sensoren keine Antireflexionsbeschichtung erforderlich. Auf einem Beugungsgitter basierende SPR-Sensoren sind jedoch insofern nachteilig, dass sich, im Gegensatz zu auf einem Prisma basierenden Sensoren, bei denen sich das auftreffende Licht durch das Prisma fortpflanzt und auf die der Probe gegenüberliegende Metallfolie auftrifft, das Licht durch die Probe fortpflanzen muss. Das Fortpflanzen durch die Probe ist nachteilig, da die Probe dazu neigt, das auftreffende Licht zu absorbieren oder zu streuen. Aus diesen Gründen sind auf einem Beugungsgitter basierende SPR-Sensoren für das Untersuchen von Flüssigkeiten, wie z. B. Blut, schlecht geeignet und werden primär auf dem Gebiet der Gasdetektierung verwendet. Ferner sind beide oben beschriebenen SPR-Sensoren auf eine hochleitende Metallfolie zum Unterstützen der Oberflächenplasmonresonanz angewiesen. Diese Metallfolie begrenzt jedoch die Wellenlänge der Resonanz auf den Rot- oder Infrarotbereich des Lichtspektrums, da bei kürzeren Wellenlängen die Leitfähigkeit selbst der besten Metalle nicht ausreicht, um starke Resonanzen zu erzeugen, was zu einer geringeren Empfindlichkeit führt.
In WO-A-90/08318 ist ein Biosensor mit einem dielektrischen Resonanzhohlraum beschrieben, der von einem mehrschichtigen dielektrischen Stapel begrenzt ist, welcher als dielektrischer Spiegel fungiert. Als dielektrischer Spiegel bietet der dielektrische Stapel eine nahezu vollständige innere Reflexion über einen weiten Bereich von Winkeln, um zu verhindern, dass Licht aus dem Resonanzhohlraum austritt.
In EP-A-0 175 585 ist ein dielektrischer Folienstapel beschrieben, der die Ummantelung eines hohlen Faserkerns bildet.
Aus den oben genannten und anderen nachstehend aufgeführten Gründen, die für Fachleute auf dem Sachgebiet beim Lesen der vorliegenden Erfindung offensichtlich werden, besteht auf dem Gebiet Bedarf an einem optischen Sen sor mit den Vorteilen eines auf einem Beugungsgitter basierenden SPR-Sensors, bei dem es nicht erforderlich ist, dass sich das auftreffende Licht durch die Probe fortpflanzt.
Zusammenfassender Überblick über die Erfindung
Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum optischen Untersuchen einer Ziel-Substanz in einer Probe unter Verwendung eines Sensors gemäß Anspruch 1, 2 bzw. 10 beschrieben, mit denen die oben beschriebenen Mängel, die bei herkömmlichen auf einem Beugungsgitter und auf einem Prisma basierenden SPR-Sensoren auftreten, eliminiert werden.
Der erfindungsgemäße Sensor zeigt eine starke Resonanz, die in ihrer Größe den Resonanzen vergleichbar ist, die herkömmliche SPR-Sensoren normalerweise aufweisen. Anders als bei auf einem Beugungsgitter basierenden SPR-Sensoren kann eine Probe jedoch durch Reflexion von der Substratseite ohne Fortpflanzung von Licht durch die Probe untersucht werden. Ferner ermöglicht der Sensor das Untersuchen einer Probe mit Durchlicht. Ein Vorteil der Untersuchung mit Durchlicht liegt in der Möglichkeit, eine Quelle für diffuses Licht zu verwenden. Da der Sensor nicht auf die Verwendung leitender Metalle angewiesen ist, ermöglicht der Sensor starke Resonanzen bei kürzeren Wellenlängen als es bei herkömmlichen SPR-Sensoren der Fall ist.
Gemäß einem Aspekt betrifft die Erfindung einen Sensor mit einem dielektrischen Folienstapel mit mehreren dielektrischen Schichten. Die dielektrischen Schichten fungieren als Wellenleiter, so dass sich ein Teil des auftreffenden Lichts in mindestens einem Auftreffwinkel in dem dielektrischen Folienstapel fortpflanzt. Bei einer Ausführungsform sind die dielektrischen Schichten aus einem dielektrischen Material gefertigt, das entweder aus einem ersten dielektrischen Material mit einem ersten Brechungswinkel oder einem zweiten dielektrischen Material mit einem zweiten Brechungswinkel ausgewählt ist. Bei einer Konfiguration ist der dielektrische Folienstapel derart ausgebildet, dass das dielektrische Material der dielektrischen Schichten zwischen dem ersten dielektrischen Material und dem zweiten dielektrischen Material alterniert. Der dielektrische Folienstapel kann als dielektrischer Spiegel ausgebildet sein, so dass auf den Sensor auftreffendes Licht im wesentlichen von dem Sensor reflektiert wird, oder als Antireflexions-Folienstapel ausgebildet sein, so dass auftreffendes Licht im wesentlichen unreflektiert durch den Sensor durchgelassen wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Abtastsystem mit einem Sensor mit einem Stapel aus dielektrischen Schichten. Eine Lichtquelle setzt den Sensor einem Lichtstrahl aus. Die dielektrischen Schichten fungieren als Wellenleiter, so dass sich ein Teil des auftreffenden Lichts in mindestens einem Auftreffwinkel in dem dielektrischen Folienstapel fortpflanzt. Ein Detektor empfängt Licht von dem Sensor und erzeugt ein Ausgangssignal, das die Stärke des empfangenen Lichts repräsentiert. Ein Kontroller ist mit dem Detektor gekoppelt und berechnet ein Maß der Substanz in der Probe in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal. Bei einer Ausführungsform erzeugt ein Diffusor den von der Lichtquelle kommenden auftreffenden diffusen Lichtstrahl, und eine Linse fokussiert das in einem Durchlasswinkel durch den Sensor auf ein entsprechendes Element des Detektorarrays durchgelassene Licht.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Untersuchen einer Ziel-Substanz in einer Probe. Ein Sensor interagiert mit der eine Ziel-Substanz enthaltenden Probe. Der Sensor weist einen dielektrischen Folienstapel mit mehreren dielektrischen Schichten auf, die als Wellenleiter für auftreffendes Licht fungieren. Ein Maß der Ziel-Substanz in der Probe wird in Abhängigkeit von einer Verschiebung einer detektierten optischen Anomalie von von dem Sensor kommendem Licht bestimmt. Bei einer Ausführungsform wird das Maß durch Detektieren einer optischen Anomalie in von dem Sensor reflektiertem Licht bestimmt. Bei einer weiterten Ausführungsform umfasst das Maß das Detektieren einer optischen Anomalie in durch den Sensor durchgelassenem Licht.
Diese und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung offensichtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Abtastsystems mit einem auf einem Prisma basierenden Oberflächenplasmonresonanz-Sensors;
2 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Abtastsystems mit einem auf einem Beugungsgitter basierenden Oberflächenplamsonresonanz-Sensor;
3 zeigt einen Querschnitt einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Sensors mit einem dielektrischen Folienstapel; und
4 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform eines Abtastsystems zum Untersuchen einer Substanz in einer Probe durch Belichten eines einen dielektrischen Folienstapel aufweisenden Sensors und Detektieren einer Verschiebung in einem oder mehreren Resonanzwinkeln.
Detaillierte Beschreibung
In der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die spezifische Ausführungsformen der Erfindung zeigen. Es können elektrische, mechanische und strukturelle Veränderungen an den Ausführungsformen vorgenommen werden, ohne dass dadurch vom Umfang der vorliegenden Erfindung abgewichen wird. Die folgende detaillierte Beschreibung darf daher nicht als Einschränkung angesehen werden, und der Umfang der vorliegenden Erfindung ist durch die beiliegenden Patentansprüche definiert.
3 zeigt ein Querschnittsprofil eines erfindungsgemäßen optischen Sensors 50. Es hat sich herausgestellt, dass ein optischer Sensor konstruiert werden kann, der Resonanzwinkel aufweist, die denen herkömmlicher SPR-Sensoren vergleichbar sind, mit dem jedoch viele der oben beschriebenen Nachteile eliminiert werden können. Insbesondere wird bei dem Sensor 50 ein dielektrischer Folienstapel anstelle einer dünnen Metallfolie verwendet. Der Sensor 50 weist ein Substrat 51 mit einer Fläche 53, in der sinusförmige Nuten ausgebildet sind, auf. Die Periode des Nutprofils der Fläche 53 kann zwischen unter 0,4 μm und über 2,0 μm liegen. Andere Nutprofile, wie z. B. trapezförmig, quadratisch etc., sind ebenfalls für die Erfindung geeignet.
Außerhalb der Fläche 53 des Substrats 51 sind mehrere transparente dielektrische Schichten 52 ausgebildet, die gemeinsam einen dielektrischen Folienstapel auf der Fläche 53 des Substrats 51 bilden. Obwohl auf diese Weise dargestellt, brauchen die dielektrischen Schichten 52 nicht dem Oberflächenprofil des Substrats 51 angepasst zu sein. Wie nachstehend genauer erläutert, zeigt der Sensor 50 starke Resonanzen, die in ihrer Größe den normalerweise bei SPR-Sensoren auftretenden Resonanzen vergleichbar sind. Bei einer Ausführungsform sind die dielektrischen Schichten 52 des dielektrischen Folienstapels derart konfiguriert, dass sie als dielektrischer Spiegel fungieren, der bei Nichtresonanzwinkeln im wesentlichen den gesamten Lichtstrahl 62 reflek tiert. Insbesondere reflektiert jede dielektrische Schicht 52 des dielektrischen Folienstapels einen Teil des Lichtstrahls 62 als Lichtstrahl 66. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da, anders als bei auf einem Beugungsgitter basierenden SPR-Sensoren, die Probe 21 unter Verwendung eines auf das Substrat auftreffenden Lichtstrahls 62 untersucht werden kann, so dass sich der Lichtstrahl 62 nicht durch die Probe 21 fortzupflanzen braucht. Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Sensor 50 nicht als dielektrischer Spiegel konstruiert, sondern als Antireflexions-Folienstapel. Bei dieser Konfiguration durchläuft der Lichtstrahl 62 bei Nichtresonanzwinkeln den Sensor 50 im wesentlichen ohne Diffusion oder Reflexion und tritt als Lichtstrahl 64 aus. Auf diese Weise wirkt der dielektrische Folienstapel des Sensors 50, wenn er als dielektrischer Antireflexions-Folienstapel ausgebildet ist, direkt entgegengesetzt dem Fall, in dem er als dielektrischer Spiegel ausgebildet ist. Die Konfiguration des dielektrischen Folienstapels entweder als dielektrischer Spiegel oder als Antireflexions-Folienstapel ist nachstehend genauer erläutert.
Unabhängig davon, ob der dielektrische Folienstapel als dielektrischer Spiegel oder Antireflexions-Folienstapel vorgesehen ist, fungiert der dielektrische Folienstapel bei den Resonanzwinkeln als Wellenleiter, und zwar derart, dass der reflektierte Lichtstrahl 66 und der durchgelassene Lichtstrahl 64 starke Anomalien zeigen. Bei den Resonanzwinkeln wird Energie von dem Lichtstrahl 62 zu den dielektrischen Schichten 52 des dielektrischen Folienstapel übermittelt, so dass die dielektrischen Schichten 52 gemeinsam als Wellenleiter fungieren. Wenn die dielektrischen Schichten 52 gemeinsam als Wellenleiter fungieren, pflanzt sich ein finiter Teil des auftreffenden Lichtstrahls 62 innerhalb des dielektrischen Folienstapels fort. Wenn der dielektrische Folienstapel als dielektrischer Spiegel ausgebildet ist, durchläuft das restliche Licht, das sich nicht innerhalb des dielektrischen Folienstapels fortpflanzt, den Sensor 50 und tritt als Lichtstrahl 64 aus, wodurch eine starke Dämpfung des reflektierten Lichts 66 und eine starke Intensivierung des durchgelassenen Lichts 64 bewirkt wird. Wenn jedoch der dielektrische Folienstapel als Antireflexions-Folienstapel ausgebildet ist, wird das restliche Licht als Lichtstrahl 66 reflek tiert, wodurch eine starke Dämpfung des durchgelassenen Lichts 64 und eine starke Intensivierung des reflektierten Lichts 66 bewirkt wird.
Eine Sensibilisierschicht 58 ist außerhalb der äußersten dielektrischen Schicht 52 ausgebildet und zum Interagieren mit einer vorbestimmten chemischen, biochemischen oder biologischen Substanz 18 in der Probe 21 ausgewählt. Wenn sich die Ziel-Substanz 18 mit der Sensibilisierschicht 58 verbindet, erfolgt eine Verschiebung der Resonanzwinkel aufgrund der Veränderung des Brechungsindexes des Sensors 50. Ein quantitatives Maß der Konzentration der Ziel-Substanz 18 kann anhand der Größe der Verschiebung des Resonanzwinkels durch Überwachen entweder des reflektierten Lichts 66 oder des durchgelassenen Lichts 64 berechnet werden. Somit liegt ein Vorteil des Sensors 50 gegenüber herkömmlichen SPR-Sensoren darin, dass der Sensor 50 in auf Reflexion basierenden Abtastsystemen oder auf Durchlässigkeit basierenden Abtastsystemen verwendet werden kann.
Bei einer Ausführungsform ist der dielektrische Folienstapel durch Ausbilden jeder dielektrischen Schicht mit einem dielektrischen Material, das aus einem ersten dielektrischen Material und einem zweiten dielektrischen Material ausgewählt ist, als dielektrischer Spiegel vorgesehen. Das erste dielektrische Material hat einen ersten Brechungsindex, während das zweite dielektrische Material einen zweiten Brechungsindex hat. Bei einer besonders vorteilhaften Konfiguration ist der Stapel aus dielektrischen Schichten derart ausgebildet, dass das dielektrische Material der dielektrischen Schichten zwischen dem ersten dielektrischen Material und dem zweiten dielektrischen Material alterniert. Beispielsweise sind bei einer Ausführungsform sind die dielektrischen Materialien der dielektrischen Schichten 52 derart ausgewählt, dass die dielektrischen Schichten 52₁ und 52₃ einen hohen Brechungsindex haben, während die dielektrische Schicht 52₂ einen niedrigen Brechungsindex hat. Diese Konfiguration ist vorteilhaft, da die Größe der Anomalien der Lichtstrahlen 64 und 66 wesentlich und leichter detektierbar sind, wodurch die Empfindlichkeit des Sensors 50 erhöht wird.
Wenn der Lichtstrahl 62 den dielektrischen Folienstapel des Sensors 50 durchdringt, wird ein Teil des Lichtstrahls 62 an jeder dielektrischen Schicht 52 reflektiert. Insbesondere wird, wenn der Lichtstrahl 62 eine vorgegebene dielektrische Schicht 52 durchdringt, ein Teil des Lichts an der Oberfläche der nächsten dielektrischen Schicht 52 reflektiert. Somit beträgt, wenn der Lichtstrahl 62 senkrecht auf den dielektrischen Folienstapel auftrifft, die in einer vorgegebenen dielektrischen Schicht zurückgelegte Gesamtstrecke ungefähr das Doppelte der Dicke t der dielektrischen Schicht, d. h. 2t. Zum Ausbilden des dielektrischen Folienstapels als dielektrischer Spiegel, so dass der Lichtstrahl 62 von dem Sensor 50 im wesentlichen als Lichtstrahl 66 reflektiert wird, wird jede dielektrische Schicht 52 mit einer ungefähren Dicke t ausgebildet, die durch folgende Gleichung definiert ist:
wobei λ die Wellenlänge des Lichtstrahls 62, n der Brechungsindex der dielektrischen Schicht, die ausgebildet wird, und m eine beliebige positive ganze Zahl ist. Für andere Auftreffwinkel ist diese Gleichung auf einfache Weise modifizierbar.
Wenn jede dielektrische Schicht gemäß der vorstehenden Gleichung ausgebildet ist, und m gleich Null ist, beträgt die in einer vorgegebenen dielektrischen Schicht zurückgelegte Gesamtstrecke λ/2n. Dies entspricht einer in jeder dielektrischen Schicht zurückgelegten "optischen" Gesamtstrecke von einer halben Wellenlänge des Lichts, nämlich λ/2, was einer Retardierung von 180° entspricht.
An der Reflexionsfläche kommt es zu einer weiteren Retardierung um 180°, wenn die durchlaufene dielektrische Schicht einen hohen Brechungsindex n und die nächste dielektrische Schicht einen niedrigen Index hat. Daher erfährt an jeder dieser Grenzflächen mit hohem Index/niedrigen Index der reflektierte Lichtstrahl 66 eine Gesamt-Retardierung von 360° und kehrt phasengleich mit demjenigen Teil des Lichtstrahls 66, der von dieser Oberfläche reflektiert worden ist, zu der Oberfläche der durchlaufenen dielektrischen Schicht 52 zurück. Wenn der dielektrische Folienstapel gemäß der vorstehenden Gleichung ausgebildet ist und die dielektrischen Schichten 52 zwischen hohem Index und niedrigem Index alternieren, ist der gesamte intern reflektierte Lichtstrahl 66 in Phase, wodurch eine Verstärkung bewirkt wird, die zu einem beträchtlichen Reflexionsvermögen führt. Beispielsweise kann bei dieser Konfiguration der Sensor 50 derart ausgebildet sein, dass mindestens 50% oder sogar mindestens 90% des Lichtstrahls 62 reflektiert wird. Der dielektrische Folienstapel fungiert als dielektrischer Spiegel, wenn die dielektrischen Schichten gemäß der vorstehenden Gleichung mit einer beliebigen positiven ganzen Zahl m ausgebildet sind. Wenn m größer wird, vergrößert sich die Dicke t um λ, so dass sich die in einer dielektrischen Schicht durchlaufene "optische" Gesamtstrecke um eine volle Wellenlänge λ erhöht, was zu einer Verstärkung und einem beträchtlichen Reflexionsvermögen des Lichtstrahls 62 führt.
Bei einer Ausführungsform wird das für eine Gruppe der alternierenden dielektrischen Schichten, wie z. B. der dielektrischen Schichten 52₁ und 52₃ , verwendete Material derart ausgewählt, dass es den höchsten Brechungsindex eines dielektrischen Materials hat, das auf dem Sensor 50 ausgebildet sein kann. Beispielsweise ist Titanoxid TiO₂ ein geeignetes dielektrisches Material, da es einen Brechungsindex von ungefähr 2,5 hat. Das für die anderen dielektrischen Schichten, wie z. B. die dielektrische Schicht 52₂ , verwendete Material wird derart ausgewählt, dass es den niedrigsten Brechungsindex eines dielektrischen Materials hat, das auf dem Sensor 50 ausgebildet sein kann. Beispielsweise ist Siliziumdioxid SiO₂ ein geeignetes dielektrisches Material, da es einen Brechungsindex von ungefähr 1,5 hat. Das Auswählen der dielektrischen Materialien für die dielektrischen Schichten 52 führt bei den meisten Winkeln zu einem dielektrischen Spiegel mit einem hohen Reflexionsvermögen, das häufig an 90% heranreicht, wobei jedoch eine starke Dämp fung bei den Resonanzwinkeln, die häufig an 0% reflektierten Lichts heranreicht, erfolgt. Ferner kann ein geeignetes dielektrisches Material für die dielektrische Schicht 52₂ einen entsprechenden Brechungsindex haben, der an 1,8 heranreicht. Ähnlich kann ein geeignetes dielektrisches Material für die dielektrischen Schichten 52₁ und 52₃ einen entsprechenden Brechungswinkel von mindestens 2,2 haben. Ferner steigt die Größe der gezeigten Anomalie mit einer größer werdenden Anzahl von dielektrischen Schichten; die Größe der winkelmäßigen Verschiebung führt jedoch eher zu einer Verringerung. Daher muss ein Gleichgewicht zwischen diesen beiden Charakteristiken bestimmt werden. Obwohl eine andere Anzahl von Schichten akzeptabel ist, hat sich bei Experimenten herausgestellt, dass fünf bis fünfzehn dielektrische Schichten zu guten Ergebnissen führen, wobei sich eine Anzahl von elf Schichten als besonders gut erwiesen hat.
Für die Verwendung des dielektrischen Folienstapels des Sensors 50 als dielektrischer Spiegel ist es nicht erforderlich, dass der dielektrische Folienstapel aus zwei alternierenden dielektrischen Schichten gebildet ist. Ein aus dielektrischen Schichten hergestellter Spiegel kann auch aus dielektrischen Schichten mit mehreren unterschiedlichen Brechungsindices gebildet sein. In diesem Fall ist es wichtig, dass die Dicke jeder Schicht durch die vorstehende Gleichung bestimmt ist. Ferner muss jede Schicht von anderen Schichten begrenzt sein, die beide entweder einen höheren Brechungsindex oder einen niedrigeren Brechungsindex haben. Beispielsweise kann der dielektrische Folienstapel aus drei dielektrischen Materialien mit Indices n₁, n₂, n₃ gebildet sein, wobei n₁ < n₂ < n₃ ist. Ein aus diesen Materialien hergestellter geeigneter dielektrischer Folienstapel kann mit der folgenden Sequenz von dielektrischen Indices ausgebildet sein: n₃, n₂, n₃, n₁, n₂, n₁, n₃, n₂, n₃.
Wie oben beschrieben, kann der dielektrische Folienstapel des Sensors 50 derart ausgebildet sein, dass er als dielektrischer Antireflexions-Folienstapel fungiert. Obwohl keine allgemeingültige Gleichung für das Ausbilden von Antireflexions-Folienstapel angegeben werden, kann eine iterative Vorgehenswei se unter Verwendung einer computergestützten Modellerstellung angewandt werden. Gemäß diesem Ansatz ist ein Beispiel für einen dielektrischen Antireflexions-Folienstapel auf ein Glassubstrat aufgebrachtes TiO₂, SiO₂ und TiO₂, wobei der Brechungsindex der TiO₂-Schichten 2,5 und der Brechungsindex der SiO₂-Schicht und des Glassubstrats 1,5 betragen. Bei dieser Konfiguration beträgt die Dicke der TiO₂-Schicht auf dem Substrat 102 nm, die Dicke der SiO₂-Schicht 120 nm und die Dicke der äußeren TiO₂-Schicht 114 nm. Die Stärke des reflektierten Lichts für senkrecht auf das Substrat auftreffendes Licht bei einer Wellenlänge von 635 nm beträgt im wesentlichen Null.
4 zeigt eine Ausführungsform eines Abtastsystems 100 mit dem oben beschriebenen verbesserten optischen Sensor 50. Das Abtastsystem 100 weist eine monochromatische Lichtquelle 102 auf, wie z. B. einen Laser, der den auf einen Diffusor 105 auftreffenden Lichtstrahl 24 erzeugt. Andere Lichtquellen sind ebenfalls geeignet, einschließlich einer monochromatisches Licht erzeugenden Glühlampe, wie z. B. eine Quecksilberlampe, eine gefiltertes Licht emittierende Diode, eine mit einem Filter gekoppelte Weißlichtquelle etc. Der Diffusor 105 erzeugt einen diffusen Lichtstrahl 24, so dass das Licht 110 in einer Vielzahl von Winkeln auf den Sensor 50 auftrifft. Bei einer Ausführungsform weist die Probe Material zum Erzeugen eines diffusen Lichtstrahls auf, der derart auf den Sensor auftrifft, dass kein separater Diffusor benötigt wird. Je nach Auftreffwinkel und entsprechenden Resonanzwinkeln des Sensors 50 wird das Licht 110 durch die Probe 21 und den Sensor 50 durchgelassen und beleuchtet einen Polarisator 114, der einen polarisierten Lichtstrahl 117 mit einem elektrischen Vektor parallel oder senkrecht zu den Nuten in der Oberfläche des Sensors 50 durchlässt.
Eine Linse 115 fokussiert polarisiertes Licht 117 auf einen entsprechenden Punkt auf einem Detektorarray 120. Mit anderen Worten: das polarisierte Licht 117 tritt in einer Vielzahl von Winkeln in die Linse 115 ein und wird entsprechend dem Winkel auf das Detektorarray 120 fokussiert. Das Detektorarray 120 gibt ein Signal aus, das entsprechende Stärken des auf das Detek torarray 120 fokussierten Lichts angibt. Anhand des Signals bestimmt ein Kontroller 122 einen oder mehrere Resonanzwinkel und berechnet ein Maß der Ziel-Substanz in der Probe. Diese Konfiguration ist dahingehend besonders vorteilhaft, dass keine beweglichen Teile erforderlich sind. Bei einer Ausführungsform gibt der Kontroller 122 einen akustischen Alarm, wenn das berechnete Maß der Ziel-Substanz 18 eine vorbestimmte Schwelle übersteigt. Nach Beendigung der Abtastung kann der Sensor 50 entsorgt oder gereinigt und wiederverwendet werden.
Es sind mehrere Ausführungsformen eines optischen Untersuchungsverfahrens und einer optischen Untersuchungsvorrichtung beschrieben worden. Bei einer Ausgestaltung handelt es sich bei der vorliegenden Erfindung um einen optischen Sensor mit einem dielektrischen Folienstapel, der mehrere dielektrische Schichten aufweist. Jede dielektrische Schicht weist ein dielektrisches Material auf, das aus einem ersten dielektrischen Material mit einem ersten Brechungsindex und einem zweiten dielektrischen Material mit einem zweiten Brechungsindex ausgewählt ist. Bei einer Ausführungsform ist der dielektrische Folienstapel derart ausgebildet, dass das dielektrische Material der dielektrischen Schichten zwischen dem ersten dielektrischen Material und dem zweiten dielektrischen Material alterniert. Der dielektrische Folienstapel ist entweder als dielektrischer Spiegel ausgebildet, und zwar derart, dass auf den Sensor auftreffendes Licht von dem Sensor reflektiert wird, oder als Antireflexions-Folienstapel ausgebildet, und zwar derart, dass sich auf den Lichtstrahl auftreffendes Licht durch den Sensor fortpflanzt.
Der Sensor ist einfach herstellbar, so dass die Resonanzwinkel auf einfache Weise abgestimmt werden können, wobei dennoch die auf einem Beugungsgitter basierenden SPR-Sensoren auferlegten Begrenzungen überwunden werden. Insbesondere wird bei dem Sensor ein dielektrischer Folienstapel anstelle einer dünnen Metallfolie verwendet. Der Sensor zeigt eine Resonanz, die in ihrer Größe den Resonanzen vergleichbar ist, die normalerweise bei herkömmlichen SPR-Sensoren auftreten. Anders als bei auf einem Beugungsgit ter basierenden SPR-Sensoren kann eine Probe jedoch durch Reflexion von der Substratseite untersucht werden, ohne dass sich das Licht durch die Probe fortpflanzt. Ferner ermöglicht es der Sensor, dass eine Probe mit Durchlicht untersucht wird. Ein Vorteil des Untersuchens mit Durchlicht liegt in der Möglichkeit, eine Quelle für diffuses Licht zu verwenden. Da der Sensor nicht auf die Verwendung von leitenden Metallen angewiesen ist, ermöglicht der Sensor ferner starke Resonanzen bei kürzeren Wellenlängen als es bei herkömmlichen SPR-Sensoren der Fall ist.

Claims

Sensor zum optischen Untersuchen einer Substanz in einer Probe, mit – einem Substrat (51) mit einer genuteten Fläche (53), – einem auf der genuteten Fläche (53) des Substrats (51) ausgebildeten Wellenleiter (52), und – einer auf einer Fläche des Wellenleiters (52) gegenüber dem Substrat (51) ausgebildeten Sensibilisierschicht (58) zum Interagieren mit der Substanz (18), dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (52) – ein dielektrischer Folienstapel mit mehreren dielektrischen Schichten (52₁ , 52₂ , 52₃ ) ist, wobei ferner die Dicke und der Brechungsindex jeder dielektrischen Schicht (52₁ , 52₂ , 52₃ ) derart ausgewählt sind, dass bei mindestens einem Auftreffwinkel der dielektrische Folienstapel (52) als Wellenleiter für auf den Sensor (50) auftreffendes Licht fungiert.
Sensor nach Anspruch 1, bei dem mindestens zwei der dielektrischen Schichten (52₁ , 52₂ , 52₃ ) ein aus einem ersten dielektrischen Material und einem zweiten dielektrischen Material ausgewähltes dielektrisches Material aufweisen, das erste dielektrische Material einen ersten Brechungsindex n₁ und das zweite dielektrische Material einen zweiten Brechungsindex n₂ aufweist, und der dielektrische Folienstapel derart ausgebildet ist, dass das dielektrische Material der dielektrischen Schichten (52₁ , 52₂ , 52₃ ) zwischen dem ersten dielektrischen Material und dem zweiten dielektrischen Material alterniert.
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der dielektrische Folienstapel (52) als dielektrischer Spiegel ausgebildet ist, so dass das auf den Sensor (50) auftreffende Licht von dem Sensor reflektiert wird, wenn der dielektrische Folienstapel nicht als Wellenleiter fungiert.
Sensor nach Anspruch 3, bei dem der dielektrische Folienstapel (52) derart ausgebildet ist, dass, wenn der dielektrische Folienstapel als Wellenleiter fungiert, das reflektierte Licht eine Dämpfung von im wesentlichen mindestens 50% aufweist.
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der dielektrische Folienstapel (52) als Antireflexions-Folienstapel ausgebildet ist, so dass das auftreffende Licht den Sensor (50) durchläuft, wenn der dielektrische Folienstapel (52) nicht als Wellenleiter fungiert, und das durchgelassene Licht eine Dämpfung von in wesentlichen mindestens 50% aufweist, wenn der dielektrische Folienstapel (52) als Wellenleiter fungiert.
Sensor nach Anspruch 2, bei dem der erste Brechungsindex n₁ im wesentlichen nicht größer als 1,8 ist und ferner der zweite Brechungsindex n₂ im wesentlichen nicht kleiner als 2,2 ist.
Sensor nach Anspruch 2, bei dem das erste dielektrische Material Siliziumdioxid und das zweite dielektrische Material Titandioxid ist.
Abtastsystem zum optischen Untersuchen einer Substanz in einer Probe, mit – einer Licht erzeugenden Lichtquelle (102), – einem Sensor (50) nach einem Ansprüche 1 bis 7, – einem Detektor (120), der Licht von dem Sensor (50) empfängt und in Abhängigkeit von der Lichtstärke ein Ausgangssignal erzeugt, und – einem mit dem Detektor (120) gekoppelten Kontroller (122) zum Berechnen eines Maßes der Substanz (18) in der Probe (21) in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal.
Abtastsystem nach Anspruch 8, bei dem die Lichtquelle (102) einen Diffusor (105) zum Erzeugen eines auf den Sensor (50) auftreffenden diffusen Lichtstrahls aufweist, wobei das Abtastsystem ferner einen Polarisator (114) zum Polarisieren von von dem Detektor (120) empfangendem Licht aufweist, und wobei die Lichtquelle (102) eine monochromatische Lichtquelle ist.
Verfahren zum Untersuchen einer Probe, mit folgenden Schritten – Interagierenlassen eines Sensors (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit einer Probe (21) mit einer Ziel-Substanz (18), und – Bestimmen eines Maßes der Ziel-Substanz (18) in der Probe (21) in Abhängigkeit von einer detektierten optischen Anomalie des von dem Sensor (50) kommenden Lichts.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das Bestimmen des Maßes das Detektieren einer optischen Anomalie in von dem Sensor (50) reflektiertem oder durchgelassenem Licht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das Bestimmen des Maßes das Beleuchten des Sensors (50) mit diffusem Licht (110) und das Detektieren einer optischen Anomalie in durch den Sensor (50) durchgelassenem Licht durch Fokussieren des durchgelassenen Lichts auf ein Detektorarray (120) entsprechend einem Durchlasswinkel des durchgelassenen Lichts umfasst.