CH681920A5 - - Google Patents

Description

  
 



  Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum selektiven Nachweis von spezifischen Substanzen in einer Messprobe durch Bestimmung von Änderungen der effektiven Brechzahl mit einem Gitterkoppler nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. 



  Die Gitterkopplung ist eine bekannte Methode, um in einem Lichtwellenleiter einen geführten Mode anzuregen. Wird das Beugungsgitter als integriert optischer Sensor betrieben, so ändert sich die effektive Brechzahl (im Gitterbereich) infolge des Sensorexperiments, d.h. beispielsweise infolge der Kopplung der spezifischen Substanzen an den chemoempfindlichen Wellenleiter. Diese Änderung der effektiven Brechzahl kann auf verschiedenste Weise abgetastet werden. In der PCT/CH86/00072 (US-A 4 815 843) sind ein paar dieser Möglichkeiten beschrieben, beispielsweise wird vorgeschlagen, zur Bestimmung von effektiven Brechzahländerungen die Intensität einer nicht eingekoppelten Beugungsordnung mit einer Photodiode zu messen.

  Diese Art der Messung hat einen kleinen dynamischen Bereich und benötigt bewegliche Mechanik zur Einstellung der Kopplungswinkel und ist zudem empfindlich auf Lichtintensitätsschwankungen, die von der Lichtquelle herrühren. 



  Ferner ist aus EP-A 0 031 523 und 0 404 900 bekannt, das Beugungsgitter mit Licht aus verschiedener Richtung zu beleuchten. 



  Die Erfindung, wie sie in dem Patentanspruch 1 gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, ein Verfahren zu schaffen, welches unabhängig von Lichtintensitätsschwankungen ist und die Abtastung der effektiven Brechzahländerungen ohne Einsatz beweglicher Mechanik erlaubt. 



  Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. 
 
   Fig. 1 zeigt eine Messvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. 
   Fig. 2 zeigt eine weitere Messvorrichtung für eine biochemische Applikation (z.B. Messung von Antigen-Antikörper Wechselwirkung) unter Einbezug einer Küvette. 
 



  Gemäss Fig. 1 enthält in an sich bekannter Weise ein Gitterkoppler 10 ein Substrat 2 und einen damit verbundenen wellenleitenden Film 3 als Wellenleiter 1 sowie ein Gitter 4, auch Beugungsgitter genannt, wobei entweder der Film 3 selbst chemoempfindlich gewählt oder dieser mit einer chemoempfindlichen Schicht versehen wird und das Gitter 4 an der oberen oder unteren Fläche des Films 3 angeordnet sein kann. Ein Lichtstrahl 5 einer nicht dargestellten Lichtquelle, vorzugsweise mit monochromatischem Licht, der auf das Gitter 4 gerichtet ist, kann über das Gitter 4 eingekoppelt bzw. über dasselbe Gitter 4 ausgekoppelt werden, wobei die Kopplungswinkel  alpha 1 durch die Kopplungsgleichung
 
 N = sin alpha 1 + 1 ( lambda / LAMBDA )
 
 gegeben sind. Dabei sind: N die effektive Brechzahl des Modes;  alpha 1 der Ein- bzw.

  Auskopplungswinkel; 1 die dazugehörige Beugungsordnung;  lambda  die Wellenlänge;  LAMBDA  die Gitterperiode. 



  Bei Verwendung von SiO2-TiO2 Wellenleitern 1 und  Gitter  4  mit  beispielsweise  einer  Linienzahl von 1200 Linien/mm kann über die +-1te, +-2te und +-3te Beugungsordnung ein- bzw. ausgekoppelt werden. Insbesondere kann beispielsweise über die +-1te  Beugungsordnung  eingekoppelt  und  über die -+2te  Beugungsordnung ausgekoppelt werden oder beispielsweise über die +-2te Beugungsordnung eingekoppelt und über die -+1te Beugungsordnung ausgekoppelt werden. 



  Um bei der Lichteinkopplung eine bewegliche Mechanik zu vermeiden, wird vorzugsweise ein fächerförmiges Lichtfeld 6 auf das Gitter 4 angeboten. Dies erlaubt ständige Modenanregung bei fester Geometrie, auch wenn sich die effektive Brechzahl aufgrund eines Sensorexperiments ändert, die Wellenleiterkonfiguration produktionsbedingt leicht variiert und/oder bei (bio) chemischen Experimenten eine flüssige Messprobe (z.B. Serum) ihre Brechzahl von Charge zu Charge ändert. 



  Ein positionsempfindlicher Detektor (7) befindet sich in einem Bereich eines Lichtstrahles 9 einer nicht eingekoppelten bzw. abgestrahlten Beugungsordnung, die nicht einem direkt transmittierten bzw. direkt reflektierten Lichtstrahl 11 bzw. 8 entspricht, wobei das einfallende fächerförmige Lichtfeld 6 jedoch bewirkt, dass die erwähnten Beugungsordnungen ebenfalls als fächerförmige Lichtfelder erscheinen.

  Auf dem fächerförmigen Lichtfeld des Lichtstrahles 9 befindet sich überlagert ein heller Lichtfleck 12, der durch die Auskopplung des geführten Modes am Gitter 4 entsteht, und einen durch die Kopplungsgleichung gegebenen Auskopplungswinkel  alpha 1, aufweist. Ändert sich nun die effektive Brechzahl des Modes aufgrund eines Sensor-Experiments, bei dem eine Messprobe 13 auf den Gitterkoppler 10 aufgebracht wird, so ändert nach der Kopplungsgleichung der Auskopplungswinkel  alpha 1, was eine Bewegung des hellen Lichtflecks 12 im Lichtfeld zur Folge hat. Diese Verschiebung des Lichtflecks 12 kann mit dem positionsempfindlichen Detektor 7 registriert werden. Diese Art der Registrierung ist unabhängig von Schwankungen in der Lichtintensität der Lichtquelle. 



  Das erfindungsgemässe Messverfahren ist besonders für die Bioanalytik interessant. Als Beispiel sei der Nachweis einer immunchemischen Reaktion erwähnt. In diesem Fall befindet sich gemäss Fig. 2 auf dem Gitter 4 eine Antikörper- bzw. Antigenschicht, die eine sogenannte chemoempfindliche Schicht 14 darstellt und somit als mit dem Wellenleiter 1 integriert zu betrachten ist. Die flüssige Messprobe 13 mit dem Antigen bzw. Antikörper wird in die Küvette 15 eingespritzt. Die Kopplung der beiden immunologischen Partner bewirkt eine Änderung der effektiven Brechzahl und damit eine Änderung des Lichtflecks auf dem positionsempfindlichen Detektor. Das Messprinzip kann natürlich auch für andere bindungsspezifische Partner verwendet werden. 



  Das Messprinzip kann auch im Zusammenhang mit einem Competition Assay oder "Sandwich Assay" verwendet werden. Zur Signalverstärkung werden oftmals bindungsfähige Makromoleküle oder Kügelchen aus Kunststoff (Polystyrol, Latex), hochbrechendem Glas (TiO2, LiNbO3, Glas) oder Metall (Gold) verwendet. Diese bindungsfähigen Makromoleküle können reversibel wie auch irreversibel gebunden werden. Diese bindungsfähigen Makromoleküle bilden neben der immobilisierten bindefähigen Substanz und der nachzuweisenden Substanz ein drittes Reagenz. 



   Das erfindungsgemässe Verfahren lässt sich auf einfache Weise mehrkanalig betreiben, da das Messverfahren ein Quasi-Reflexions-Verfahren, d.h. Reflexion kombiniert mit Beugung darstellt. Für diesen mehrkanaligen Betrieb können mehrere Gitter, Gitterstreifen oder grössere zweidimensionale Gitter verwendet werden. In der Bioanalytik werden dann die verschiedenen Gitterregionen mit verschiedenen chemoempfindlichen Schichten belegt. 

Claims (2)

1. Verfahren zum selektiven Nachweis von spezifischen Substanzen in chemischen, biochemischen und biologischen Messproben (13) durch Bestimmung der Änderung der effektiven Brechzahl eines geführten Modes, der sich in der Gitterregion eines mit einem Beugungsgitter (4) versehenen chemoempfindlichen Wellenleiters (1) ausbreitet, wobei das Beugungsgitter (4) sowohl als Einkopplungsgitter als auch als Auskopplungsgitter wirkt, der chemoempfindliche Wellenleiter (1) entweder einen chemoempfindlichen wellenleitenden Film (3) oder eine den wellenleitenden Film (3) bedeckende chemoempfindliche Schicht (14) aufweist und ein Detektor in den Bereich eines Lichtstrahles einer nicht eingekoppelten Beugungsordnung gestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Beugungsgitter (4) mit mindestens einem Lichtfeld (6) beleuchtet wird zur Sicherstellung einer Modenanregung,

ein positionsempfindlicher Detektor (7) in einem abgestrahlten Beugungsfeld (9) angeordnet ist, das nicht dem direkt reflektierten bzw. direkt transmittierten abgestrahlten Beugungsfeld (8 bzw. 11) entspricht und das einen hellen Lichtfleck (12) aufweist, und die Verschiebung dieses hellen Lichtflecks (12) mit dem positionsempfindlichen Detektor (7) gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht monochromatisch gewählt wird.