CH681920A5

CH681920A5 -

Info

Publication number: CH681920A5
Application number: CH1954/91A
Authority: CH
Inventors: Kurt Dr Tiefenthaler
Original assignee: Artificial Sensing Instr Asi A
Priority date: 1991-07-02
Filing date: 1991-07-02
Publication date: 1993-06-15
Also published as: WO1993001487A1; JPH06500636A; EP0551456A1

Abstract

The invention describes a process for the selective detection of substances in chemical, biochemical and biological measuring samples (13) by the determination of changes in the effective refractive index of an executed mode (16) with the aid of a grid coupler (10). The essential feature of the invention is that a grid (4) of the grid coupler (10) is illuminated by a fanshaped field of light (9), a mode (16) is excited and emitted virtually as a plane wave (17) owing to weak coupling, a position-sensitive detector (7) is in the light field (9) of a diffraction order and thus the shift in a bright spot of light (12) formed by the emitted light field (17) is measured.

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. 



  
 



  The present invention relates to a method for the selective detection of specific substances in a measurement sample by determining changes in the effective refractive index with a grating coupler according to the preamble of patent claim 1.



  Lattice coupling is a known method for exciting a guided mode in an optical waveguide. If the diffraction grating is operated as an integrated optical sensor, the effective refractive index (in the grating area) changes as a result of the sensor experiment, i.e. for example, due to the coupling of the specific substances to the chemo-sensitive waveguide. This change in the effective refractive index can be sensed in a variety of ways. PCT / CH86 / 00072 (US-A 4 815 843) describes a few of these possibilities, for example it is proposed to measure the intensity of an uncoupled diffraction order with a photodiode in order to determine effective changes in refractive index.

  This type of measurement has a small dynamic range and requires movable mechanics to adjust the coupling angle and is also sensitive to light intensity fluctuations that result from the light source.



  Furthermore, it is known from EP-A 0 031 523 and 0 404 900 to illuminate the diffraction grating with light from different directions.



  The invention, as characterized in claim 1, solves the problem of creating a method which is independent of fluctuations in light intensity and allows the scanning of the effective changes in refractive index without the use of moving mechanics.



  The invention is explained in more detail below with reference to drawings.
 
   1 shows a measuring device for carrying out the method.
   Fig. 2 shows another measuring device for a biochemical application (e.g. measurement of antigen-antibody interaction) including a cuvette.
 



  1, in a manner known per se, a grating coupler 10 contains a substrate 2 and an associated waveguiding film 3 as a waveguide 1 and a grating 4, also called a diffraction grating, the film 3 itself being selected to be chemo-sensitive or provided with a chemo-sensitive layer and the grid 4 can be arranged on the upper or lower surface of the film 3. A light beam 5 from a light source, not shown, preferably with monochromatic light, which is directed onto the grating 4, can be coupled in via the grating 4 or can be coupled out via the same grating 4, the coupling angle alpha 1 being given by the coupling equation
 
 N = sin alpha 1 + 1 (lambda / LAMBDA)
 
 given are. Here: N is the effective refractive index of the mode; alpha 1 the input or

  Decoupling angle; 1 the associated diffraction order; lambda the wavelength; LAMBDA the grating period.



  When using SiO2-TiO2 waveguides 1 and gratings 4 with, for example, a number of lines of 1200 lines / mm, the + -1th, + -2th and + -3th diffraction order can be coupled in or out. In particular, for example, the + -1th diffraction order can be coupled in and the - + 2nd diffraction order can be used or, for example, the + -2th diffraction order can be coupled in and the - + 1st diffraction order can be used.



  In order to avoid a moving mechanism when coupling in the light, a fan-shaped light field 6 is preferably offered on the grating 4. This allows constant mode excitation with fixed geometry, even if the effective refractive index changes due to a sensor experiment, the waveguide configuration varies slightly due to production and / or in (bio) chemical experiments, a liquid measurement sample (e.g. serum) changes its refractive index from batch to batch.



  A position-sensitive detector (7) is located in a region of a light beam 9 of a non-coupled or emitted diffraction order that does not correspond to a directly transmitted or directly reflected light beam 11 or 8, the incident fan-shaped light field 6, however, causing the aforementioned Diffraction orders also appear as fan-shaped light fields.

  Superimposed on the fan-shaped light field of the light beam 9 is a bright light spot 12, which is created by coupling out the guided mode on the grating 4 and has a coupling angle alpha 1 given by the coupling equation. If the effective refractive index of the mode changes due to a sensor experiment in which a measurement sample 13 is applied to the grating coupler 10, the coupling angle alpha 1 changes according to the coupling equation, which results in a movement of the bright light spot 12 in the light field. This displacement of the light spot 12 can be registered with the position-sensitive detector 7. This type of registration is independent of fluctuations in the light intensity of the light source.



  The measuring method according to the invention is particularly interesting for bioanalytics. The detection of an immunochemical reaction may be mentioned as an example. In this case, according to FIG. 2, there is an antibody or antigen layer on the grating 4, which is a so-called chemo-sensitive layer 14 and is therefore to be regarded as integrated with the waveguide 1. The liquid measurement sample 13 with the antigen or antibody is injected into the cuvette 15. The coupling of the two immunological partners causes a change in the effective refractive index and thus a change in the light spot on the position-sensitive detector. The measuring principle can of course also be used for other binding-specific partners.



  The measuring principle can also be used in connection with a competition assay or "sandwich assay". Binding-capable macromolecules or beads made of plastic (polystyrene, latex), high-index glass (TiO2, LiNbO3, glass) or metal (gold) are often used for signal amplification. These bindable macromolecules can be bound reversibly as well as irreversibly. In addition to the immobilized bindable substance and the substance to be detected, these bindable macromolecules form a third reagent.



   The method according to the invention can be operated in a simple manner in multiple channels, since the measuring method is a quasi-reflection method, i.e. Represents reflection combined with diffraction. Several grids, grating strips or larger two-dimensional grids can be used for this multi-channel operation. In bioanalytics, the different lattice regions are then covered with different chemo-sensitive layers.

Claims

1. A method for the selective detection of specific substances in chemical, biochemical and biological measurement samples (13) by determining the change in the effective refractive index of a guided mode which spreads in the grating region of a chemosensitive waveguide (1) provided with a diffraction grating (4), the diffraction grating (4) acting both as a coupling-in grating and as a coupling-out grating, the chemo-sensitive waveguide (1) has either a chemo-sensitive waveguiding film (3) or a chemosensitive layer (14) covering the waveguiding film (3) and a detector in the region of a light beam of an uncoupled diffraction order, characterized in that the diffraction grating (4) is illuminated with at least one light field (6) to ensure mode excitation,

a position-sensitive detector (7) is arranged in a radiated diffraction field (9) which does not correspond to the directly reflected or directly transmitted radiated diffraction field (8 or 11) and which has a bright light spot (12), and the displacement of this bright light spot (12) is measured with the position-sensitive detector (7).

2. The method according to claim 1, characterized in that the light is selected monochromatic.