EP1250582A2 - Wellenleiterplatte sowie darauf basierende sensorplattformen, anordnungen von probenbehältnissen und nachweisverfahren - Google Patents

Wellenleiterplatte sowie darauf basierende sensorplattformen, anordnungen von probenbehältnissen und nachweisverfahren

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EP1250582A2
EP1250582A2 EP01909687A EP01909687A EP1250582A2 EP 1250582 A2 EP1250582 A2 EP 1250582A2 EP 01909687 A EP01909687 A EP 01909687A EP 01909687 A EP01909687 A EP 01909687A EP 1250582 A2 EP1250582 A2 EP 1250582A2
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EP
European Patent Office
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waveguide
waveguide plate
coupling
waveguide layer
layer
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01909687A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Gert Duveneck
Michael Pawlak
Bernd MAISENHÖLDER
Johannes Edlinger
Claus Heine
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Bayer AG
Original Assignee
Zeptosens AG
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G02B6/02133—Refractive index modulation gratings, e.g. Bragg gratings characterised by the method of manufacture of the grating using beam interference
    • G02B6/02138—Refractive index modulation gratings, e.g. Bragg gratings characterised by the method of manufacture of the grating using beam interference based on illuminating a phase mask

Definitions

  • the invention relates to a waveguide plate and various embodiments of a sensor platform based on a waveguide plate according to the invention and arrangements of sample containers with a waveguide plate or sensor platform according to the invention as a boundary surface of the arrangement of the sample containers.
  • the invention also relates to optical systems and methods based on the use of this waveguide plate or sensor platform for the detection of one or more analytes and their use, e.g. B. for analytical purposes in the biochemical and medical field.
  • a generic waveguide plate is known from US Pat. No. 5,675,691, in which coupling gratings are produced by a waveguide layer made of TiO 2 on a substrate made of glass, in particular quartz glass, ceramic or predominantly organic material.
  • an intermediate layer of 20 nm thickness e.g. B. can be provided from SiO, and structured by ablation or changing the refractive index by means of exposure through two superimposed beams of an excimer laser or through a coupling grating said beam modified by a mask.
  • an intermediate layer e.g. B. from TiO, in which the ablation barrier is lower, structured, which is applied either to the waveguide layer or directly to the substrate and in the latter case after the structuring with the waveguide layer is superimposed.
  • the lattice constants are, for example, 375 nm or 440 nm.
  • the lattice surface is freely selectable and can, for. B. 1 mm x 1 mm or 8 mm x 8 mm.
  • a waveguide plate for chemical analyzes which has a waveguide layer from 40 nm to 160 nm thick made of TiO 2 , ZnO, Nb O 5 , Ta 2 O 5 , on a carrier made of plastic, glass or quartz. HfO 2 or ZrO 2 carries. In between, an intermediate layer of non-luminescent material with low refractive index index, e.g. B. quartz of, for example, 100 nm thick, which also serves as an adhesion promoter.
  • a coupling-in grating and a coupling-out grating are provided, which, with known photolithographic or holographic and etching processes, are applied either in the support or in the waveguide layer and have a grating constant of between 200 nm and 1,000 nm.
  • the gratings can have dimensions of 2 mm (parallel to the line) x 4 mm with a total area of the waveguide plate of 12 mm x 20 mm.
  • a waveguide plate is known with a carrier plate made of polycarbonate, into which a modulated coupling grating is incorporated a lattice constant varying between 420 nm and 422.8 nm and a coupling-out grating with a lattice constant varying between 595.1 nm and 600.8 nm was impressed.
  • a waveguide layer made of TiO 2 with a thickness of 137 nm and a refractive index of 2.346 was applied by means of low-temperature DC magnetron sputtering and finally the waveguide plate was silanized.
  • the coupling angle is -9.5 °, the coupling angle is 22.5 °.
  • US Pat. No. 5,738,825 shows a microtiter plate, on the underside of which a waveguide layer of 20 nm to 10000 nm, preferably 30 nm to 500 nm thick, made of TiO 2 , Ta 2 O 5 , HfO 2 , ZrO 2 , SiO 2 , Si 3 N 4 , Al 2 O 3 , Nb 2 O 5 , nitride or oxynitride of Al, Si or Hf attached and covered by a plastic layer. Coupling and decoupling grids are attached below each cavity.
  • the gratings have a grating constant of between 330 nm and 1,000 nm, in particular approximately 400 nm to 800 nm, and are produced using lithographic or mechanical methods.
  • a waveguide plate is known with a substrate made of plastic, eg. B. polycarbonate, the surface of which was structured mechanically - by deep drawing, embossing or injection molding - in particular provided with a coupling grating and a waveguide layer made of TiO 2 , Ta 2 O 5 , ZrO 2 , Al 2 O 3 applied by a PVD process , SiO 2 -TiO 2 , HfO 2 , Y 2 O 3 , Nb 2 O 5 , silicon nitride, oxynitride, SiO x N y , HfO x Ny, AlO x N y , TiO x N y , MgF 2 or CaF 2 .
  • an approximately 20 nm thick layer is applied to the substrate in front of the waveguide layer
  • Intermediate layer made of an inorganic dielectric material such as SiO 2 is provided, which also serves as an adhesion promoter.
  • All of the waveguide plates described above are produced by methods with which a satisfactory uniformity of the coupling grating cannot be achieved, so that the coupling angle fluctuates comparatively strongly. This means that the relative angular position of the exposure device and the waveguide plate has to be optimized in a complex manner during each step. Some of the manufacturing processes described are also very complex or do not allow very large quantities with the same quality.
  • EP-A-0 602 829 describes a method for producing a lattice structure on a substrate, e.g. B. known for a DBR semiconductor laser, in which a phase mask is first produced and then the substrate, for. B. InP, is exposed through the phase mask at the Lithrow angle.
  • the exposure can take place by means of an Hg-Xe arc lamp with a diameter of the light source of 0.25 mm, with three lines having a wavelength of around 365 nm being filtered out.
  • the substrate is in the near field of the phase mask, i. H. at a distance of at most 10 ⁇ m.
  • a quartz substrate is covered with three layers, a photoresist layer, a thin germanium layer and finally a layer of an electron beam sensitive resist.
  • the top layer is then structured by electron beam writing, development of the top layer and removal of the unexposed parts.
  • the structure is transferred to the underlying layers by reactive ion etching, first with CF 3 Br and then O 2 and finally transferred to the quartz substrate itself by a further step of reactive ion etching, after which the remnants of the layers are removed.
  • the lattice constant can e.g. B. are between 190 nm and 250 nm.
  • the phase mask can be several centimeters long and the grid can extend over its entire length. However, the length of the lines is usually only 5-20 ⁇ m. Larger lengths are possible, but require very long processing times. In practice, grids of more than 1 mm 2 are hardly to produce with reasonable effort and good accuracy. In particular, misalignments during electron beam writing cannot be avoided.
  • the invention is based on the object of providing a waveguide plate which allows rapid analyzes to be carried out with little effort.
  • This object is achieved by an inventive waveguide plate with a plate-shaped glass substrate (1), which carries a waveguide layer (2), on the surface carrying the waveguide layer (2), at least one coupling grating, which as a line grating with a period between 150 nm and 1 'OOO nm is formed, the extent of which is at least 5 cm parallel to the line, characterized in that the coupling angle ( ⁇ ) along the line changes by at most 0.1 ° / cm and the absolute amount of the deviation of the coupling angle ( ⁇ ) from a setpoint on the waveguide plate does not exceed 0.5 °.
  • the invention is based on the object of providing a method for the detection of one or more analytes in one or more samples which enables the determination of a large number of samples within a short time, ie economically favorable, and without the need for additional complex system adjustments between successive individual measurements. According to the invention, this is made possible by the installation of large, in particular long, parallel parallel grids with great precision, which at the same time gives design freedom with regard to the arrangement of the grilles and is simple and economical.
  • the first object of the invention is a waveguide plate with a plate-shaped glass substrate (1) which carries a waveguide layer (2) with, on the surface carrying the waveguide layer (2), at least one coupling grating, which as a line grating with a period between 150 nm and 1 'OOO nm is formed, the extent of which is at least 5 cm parallel to the line, characterized in that the coupling angle ( ⁇ ) changes along the line by at most 0.17 cm and the absolute amount of the deviation of the coupling angle ( ⁇ ) from a desired value on the Waveguide plate does not exceed 0.5 °.
  • the extension of the coupling grid along the line is at least 1 cm.
  • the coupling angle ( ⁇ ) changes along the line by at most 0.05 cm.
  • the absolute amount of the deviation of the coupling angle ( ⁇ ) from its mean value on the waveguide plate does not exceed 0.3 °, preferably 0.15 °.
  • the refractive index of the waveguide layer (2) is preferably between 1.65 and 2.80.
  • the waveguide layer (2) can be made, for example, of Ta O 5 , Nb 2 O 5 , TiO 2 , ZrO, Al 2 O 3 , SiO 2 -TiO 2 , HfO 2 , Y 2 O 3 , SiO x N y , Si 3 N 4 , HfO x N y , AlO x N y , TiO x N y , MgF 2 or CaF 2 exist.
  • the thickness of the waveguide layer (2) is preferably between 50 nm and 200 nm.
  • the groove-web ratio of the at least one coupling grating is between 0.3: 1 and 3: 1, preferably between 0.7: 1 and 1.5: 1.
  • the grating depth of the at least one coupling grating is between 5 nm and 75 nm.
  • the waveguide plate has at least one coupling grating which is designed as a coupling grating strip (3) which extends parallel to the line essentially over the entire width or length of the waveguide plate.
  • a plurality of coupling grating strips (3) are preferably arranged parallel to one another at a distance.
  • coupling gratings of a waveguide plate according to the invention do not have to be parallel, but can also be arranged perpendicular to one another, for example.
  • Two or more coupling grids can also be superimposed on one another.
  • the coupling gratings are monodiffractive;
  • a preferred embodiment of the waveguide plate according to the invention is characterized in that a coupling grating covers essentially the entire surface of the waveguide plate. This is to be understood to mean that, in this preferred embodiment, edge areas of the waveguide plate and / or areas between larger areas provided with a coupling grating (with an area in the order of magnitude of square centimeters) can be free of coupling grids.
  • the waveguide plate according to the invention is characterized in that coupling gratings arranged thereon for coupling excitation light from one or more loan t sources in the waveguide layer (2) and / or the coupling of light guided in the waveguide layer (2).
  • Another object of the invention is a special sensor platform containing a waveguide plate according to one of the above-mentioned embodiments, which is characterized in that biological or biochemical or synthetic recognition elements are applied directly on the waveguide layer (2) or on an adhesion-promoting layer additionally applied to the waveguide layer (2) for specific detection and / or binding of one or more analytes and / or for specific interaction with said analytes.
  • a large number of identical or different, biological or biochemical or synthetic recognition elements is immobilized in at least one array of discrete measurement areas directly on the waveguide layer (2) or on an adhesion-promoting layer additionally applied to the waveguide layer (2).
  • spatially separate (“discrete”) measurement areas are to be defined by the closed area, which biological or biochemical or synthetic recognition elements immobilized there take up the recognition of an analyte from a liquid sample.
  • These areas can have any geometry, for example the Have the form of dots, circles, rectangles, triangles, ellipses or stripes.
  • An adhesion-promoting layer possibly applied to the waveguide layer (2), like the waveguide layer (2) and the glass substrate (1), should be transparent, at least in the spectral range of an irradiated excitation light and optionally a luminescent light to be detected.
  • the said transparent spectral range can be between the ultraviolet and the infrared.
  • luminescence refers here to the spontaneous emission of photons in the ultraviolet to infrared range after optical or non-optical, such as for example electrical or chemical or biochemical or thermal excitation. Examples are chemimminescence, bioluminescence, electroluminescence and in particular fluorescence and phosphorescence included under the term "luminescence”.
  • the adhesive layer should not protrude beyond the depth of penetration of the evanescent field from the waveguide layer (2) into the medium above.
  • it can have a thickness of less than 200 nm, particularly preferably less than
  • An adhesion-promoting layer applied to the waveguide layer (2) preferably comprises a chemical compound from the groups comprising silanes, functionalized silanes, epoxies, functionalized, charged or polar polymers and "self-organized passive or functionalized mono- or multilayers".
  • An embodiment of a sensor platform according to the invention is preferred, which is characterized in that, as said biological or biochemical or synthetic recognition elements, components from the group are immobilized directly on the waveguide layer (2) or on an additional adhesion-promoting layer applied to the waveguide layer (2) of nucleic acids (for example DNA, RNA, oligonucleotides) and nucleic acid analogs (for example PNA, “peptide nucleic acids”), proteins, in particular mono- or polyclonal antibodies, peptides, enzymes, aptamers, synthetic peptide structures, soluble, membrane-bound and from one Proteins isolated from membranes, such as membrane receptors, their ligands, antigens for antibodies, "histidine tag components” and their complex formation partners, cavities generated by chemical synthesis for the absorption of molecular imprints, etc. are formed.
  • nucleic acids for example DNA, RNA, oligonucleotides
  • nucleic acid analogs for example PNA, “peptide nucleic acids”
  • the latter type of recognition elements are to be understood as hollows which are produced in a process which has been described in the literature as "molecular imprinting".
  • the analyte or an analogue of the analyte is encapsulated in a polymer structure. It is then called the “imprint”.
  • the analyte or its analogue is removed from the polymer structure with the addition of suitable reagents, so that it leaves an empty cavity there. This empty cavity can then be used as a binding site with high steric selectivity in a later detection procedure. It is also possible for whole cells or cell fragments to be applied as biochemical or biological recognition elements.
  • the detection limit of an analytical method is limited by signals of so-called non-specific binding, i.e. H. by signals which are generated by binding the analyte or other compounds used to detect the analyte, which are bound not only in the area of the immobilized biological or biochemical or synthetic recognition elements used, but also in areas of a sensor platform uncovered therefrom, for example by hydrophobic adsorption or through electrostatic interactions.
  • areas between the immobilized biological or biochemical or synthetic recognition elements on the waveguide layer (2) or on an additional adhesion-promoting layer applied on the waveguide layer (2) or / and between the spatially separated measuring areas, in order to minimize non-specific binding of analytes or their detection substances "are passivated” by applying "chemically neutral” compounds to the analyte in the intermediate areas, preferably consisting, for example, of the groups consisting of albumins, in particular bovine serum albumin or human serum albumin, casein, non-specific, polyclonal or monoclonal, Antibodies of a different type or empirically unspecific for the analyte (s) to be detected (in particular for immunoassays), detergents - such as Tween 20 -, synthetic and natural lipids, not with polynucleotides to be analyzed h hybridizing, fragmented natural or synthetic DNA, such as, for example, an extract of herring or salmon sperm (in particular for polynucleot
  • a waveguide plate or sensor platform is provided with an arrangement of preferably essentially closed sample containers for introducing one or more liquid samples to be examined.
  • the subject matter of the invention is an arrangement of one or more sample containers, comprising an inventive waveguide plate or an inventive one Sensor platform as a base plate and a body brought together with it in such a way that one or more spatial recesses are created between the base plate and said body for producing one or more flow cells that are fluidically sealed against one another, each with at least one inlet and at least one outlet.
  • An arrangement of sample containers in a one- or two-dimensional array comprising a waveguide plate according to the invention or a sensor platform according to the invention as a base plate and a body brought together in such a way that an array of spatial cutouts between the base plate and said body is used to produce an array of flow cells which are fluidically sealed from one another, each having at least one inlet and at least one outlet.
  • a special embodiment of the arrangement of sample containers according to the invention is characterized in that spatial structures in the grid of the array of the flow cells to be generated are formed on the waveguide plate or the sensor platform as the base plate.
  • recesses are formed in said body in order to generate the spatial recesses between the waveguide plate or the sensor platform as the base plate and the body brought together therewith.
  • the body brought together with the waveguide plate or the sensor platform as the base plate is composed of several parts, the joined components of said body preferably forming an irreversibly joined unit.
  • An arrangement of sample containers according to the invention can comprise, for example, 2 to 2000, preferably 2 to 400, particularly preferably 2 to 100 flow cells.
  • the grid (sequence in rows and / or columns) of the inflows of the flow cells corresponds to the grid of the wells of an industrial standard plate.
  • a special embodiment of an arrangement of sample containers according to the invention relates, for example, to 2 to 8 sample containers in a column or, for example, 2 to 12 sample containers in a row, which in turn are joined together with a carrier (“meta carrier”) with the dimensions of standard industrial plates in such a way that the grid (sequence in rows or columns) of the inflows of the flow cells corresponds to the grid of the wells of an industrial standard plate.
  • a carrier metal carrier
  • sample containers according to the invention can be advantageous if the arrangement of sample containers according to the invention by an additional seal, for example a film, membrane or a cover plate. Evaporation of liquid from the inlet and outlet openings of the sample containers can thus be prevented, for example.
  • an additional seal for example a film, membrane or a cover plate. Evaporation of liquid from the inlet and outlet openings of the sample containers can thus be prevented, for example.
  • the internal volume of each flow cell can typically be 0.1 ⁇ l - 1000 ⁇ l, preferably 1 ⁇ l - 20 ⁇ l.
  • the depth of the recesses between the waveguide plate or the sensor platform as the base plate and the body joined therewith is 1 to 1000 ⁇ m, preferably 20 to 200 ⁇ m.
  • the base areas of the recesses between the waveguide plate or the sensor platform as the base plate and that which is joined together are
  • Body 0.1 mm 2 - 200 mm 2 preferably 1 mm 2 - 100 mm 2 , whereby the size of the recesses of an array can be uniform or different and the basic surfaces have any, preferably rectangular or polygonal or other geometry.
  • An arrangement of sample containers according to one of the above-mentioned embodiments is characterized in that the materials of the body brought together with the waveguide plate or the sensor platform as the base plate and an optional additional closure are selected from the group of moldable, sprayable or millable plastics, metals, Silicates, such as glass, quartz or ceramics.
  • Another object of the invention is an optical system for determining one or more luminescence, with
  • Sample containers in each case according to one of the above-mentioned embodiments and at least one detector for detecting the light emanating from the waveguide plate or the sensor platform and from measurement areas possibly located thereon.
  • a possible embodiment of an optical system according to the invention is characterized in that the excitation light is radiated to the measurement areas in an incident light or transmission light arrangement.
  • the detection of the luminescent light takes place in such a way that the excitation or luminescence light coupled out by a coupling grating is also detected by the detector.
  • a preferred embodiment of the optical system according to the invention is characterized in that the excitation light emitted by the at least one light source is largely parallel and at the resonance angle for coupling into the waveguide layer (2), via a coupling grating, on a coupling grating of the waveguide plate or the sensor platform or Arrangement of sample containers is irradiated.
  • essentially parallel light beam should be understood to mean that its convergence or divergence is less than 1 °. Accordingly, “essentially orthogonal” or “essentially normal” should mean a deviation from a corresponding orthogonal or normal orientation of mean less than 1 °.
  • the excitation light is irradiated essentially monochromatically.
  • An “essentially monochromatic” excitation light should be understood to mean that its spectral bandwidth is less than 1 nm.
  • the excitation light is irradiated in a linearly polarized manner to excite a TE 0 or TMo mode guided in the waveguide layer (2).
  • two or more light sources with the same or different emission wavelength are used as excitation light sources. These are preferably coherent light sources.
  • the system is characterized in that the excitation light is expanded by at least one light source with an expansion optic to form an essentially parallel beam and is irradiated onto one or more measurement areas on a coupling grating, this preferably taking place at the resonance angle for coupling into the waveguide layer (2).
  • Another special embodiment is characterized in that the excitation light from the at least one light source by one or, in the case of several light sources, len, optionally a plurality of diffractive optical elements, preferably Dammann gratings, or refractive optical elements, preferably microlens arrays, is broken down into a plurality of individual beams of the same intensity as possible of the partial beams originating from a common light source, each of which is essentially parallel to one another several coupling grids and, if necessary, spatially separated measuring areas located on or next to them are irradiated.
  • a plurality of diffractive optical elements preferably Dammann gratings, or refractive optical elements, preferably microlens arrays
  • two or more light sources with the same or different emission wavelength are used as excitation light sources.
  • the excitation light from 2 or more light sources can be irradiated simultaneously or sequentially from different directions onto two or more coupling gratings superimposed on one another (as part of a special embodiment of a waveguide plate or sensor platform according to the invention or arrangement of sample containers), which preferably have different periodicity.
  • At least one spatially resolving detector is used for the detection, for example from the group formed by CCD cameras, CCD chips, photodiode arrays, avalanche diode arrays, multichannel plates and multichannel photomultipliers.
  • Component from the group of components which is formed by a waveguide plate according to the invention, a sensor platform according to the invention and an arrangement of sample containers according to the invention, in each case according to one of the embodiments mentioned, and / or optical in the optical path between said group of components and the one or more detectors Components from the
  • lenses or lens systems for shaping the transmitted light bundles, planar or curved mirrors for deflecting and, if necessary, additionally for shaping light bundles, prisms for deflecting and optionally for the spectral division of light bundles, dichroic mirrors for spectrally selective deflection of parts of light bundles, neutral filters for regulating the transmitted light intensity, optical filters or monochromators for spectrally selective transmission of parts of light bundles or polarization-selective elements for selecting discrete polarization directions of the excitation or luminescent light is formed.
  • a specific embodiment of an optical system according to the invention is characterized in that the excitation light is irradiated in pulses with a duration of between 1 fsec and 10 minutes and the emission light is measured in a temporally resolved manner from the measuring ranges.
  • light signals from the group are measured for referencing, that of excitation light at the location of the light sources or after their expansion or after their subdivision into partial beams, scattered light at the excitation wavelength or emission light at a wavelength other than that of a luminescent light used to detect a Analytes from the area of the one or more spatially separated measurement areas, and light of the excitation wavelength coupled out next to the measurement areas are formed via a coupling grating.
  • Irradiation of the excitation light and detection of the emission light from one or more measurement areas can be carried out simultaneously or sequentially for individual or more measurement areas.
  • sequential excitation and detection take place using movable optical components which are formed from the group of mirrors, deflection prisms and dichroic mirrors.
  • a special embodiment of an optical system according to the invention is characterized in that sequential excitation and detection is carried out using a scanner that is essentially true to the angle and focus.
  • Another variant for sequential excitation and detection of the emission of individual or several measuring ranges consists in that the waveguide plate or sensor platform or arrangement of sample containers is moved between steps of sequential excitation and detection.
  • Another object of the invention is a method for the simultaneous qualitative and / or quantitative detection of a large number of analytes with a component from the group of components which is formed by a waveguide plate according to the invention, a sensor platform according to the invention and an arrangement of sample containers according to the invention, and / or using an optical system according to the invention, in each case according to one of the above-mentioned embodiments, which is characterized in that one or more liquid samples to be examined for said analytes are brought into contact with the measurement areas on one of said components, excitation light irradiated to the measurement areas and and at least a light component of (A) and (B), (A) light emanating from the said measuring ranges and (B) optionally one or more luminescences generated in the near field of the waveguide layer (2) from those with said sample or be said samples are brought into contact with measurement areas as a result of the binding of one or more analytes to the biological or bio-chemical or synthetic recognition elements immobilized in said measurement areas or the interaction between said an
  • the excitation light is radiated essentially in parallel and is essentially monochromatic. It is particularly advantageous if the excitation light is irradiated in a linearly polarized manner to excite one in the layer
  • the excitation light from at least one light source with an expansion lens is expanded as homogeneously as possible to form an essentially parallel beam and is irradiated to the one or more measurement areas. It is preferred that the diameter of the irradiated excitation light bundle is at least in one dimension at least 2 mm, preferably at least 10 mm.
  • Another embodiment of the method according to the invention is characterized in that the excitation light from the at least one light source through one or, in the case of several light sources, optionally several diffractive optical elements, preferably Dammann gratings, or refractive optical elements, preferably microlens.
  • Arrays are broken down into a plurality of individual beams of the same intensity as possible of the partial beams originating from a common light source, each of which is radiated essentially parallel to one another to spatially separated measuring areas.
  • two or more coherent light sources with the same or different emission wavelength are used as excitation light sources.
  • the excitation light is coupled into the measurement areas via one or more coupling gratings in the waveguide layer (2).
  • the detection method according to the invention is characterized in that (a) the isotropically emitted luminescence or (b) in the waveguide layer (2) and luminescence or luminescence of both components (a) and (b) coupled out via coupling gratings are measured simultaneously.
  • the method according to the invention is also characterized in that a luminescent dye or luminescent nanoparticle is used as the luminescent label to generate the luminescence, which can be excited and emitted at a wavelength between 300 nm and 1100 nm.
  • a preferred embodiment of the method according to the invention is characterized in that the luminescence label on the analyte or in a competitive assay on an analogue of the analyte or in a multi-stage assay on one of the binding partners of the immobilized biological or biochemical or synthetic recognition elements or on the biological or biochemical or synthetic Detection elements is bound.
  • the second or even more luminescence label can be excited at the same wavelength as the first luminescence label, but emit at different wavelengths than the first luminescence label.
  • Another special embodiment of the detection method according to the invention is characterized in that charge or optical energy transfer from a first luminescence label serving as a donor to a second luminescence label serving as an acceptor is used to detect the analyte.
  • the one or more luminescences and / or determinations of light signals at the excitation wavelength are carried out in a polarization-selective manner, the one or more luminescences preferably having a different polarization than that of the excitation light can be measured.
  • Another special embodiment of a detection method according to the invention is characterized in that, in addition to the determination of one or more luminescences, changes in the effective refractive index are determined on the measurement areas.
  • said receptor-ligand system can be a transmembrane receptor protein to which a corresponding ligand from a sample supplied binds.
  • a functional response of this receptor-ligand system can, for example, be the opening of an ion channel, with the result of a local change in the pH and / or the ion concentration.
  • Such a local change can be detected, for example, using a luminescent dye with pH-dependent and / or ion-dependent luminescence intensity and / or spectral emission.
  • the detection method according to the invention is suitable for the simultaneous or sequential, quantitative or qualitative determination of one or more analytes from the group of antibodies or antigens, receptors or ligands, chelators or "histidine tag components", oligonucleotides , DNA or RNA strands, DNA or RNA analogs, enzymes, enzyme cofactors or inhibitors, lectins and carbohydrates.
  • the method according to the invention is characterized in that the samples to be examined, for example, aqueous solutions, such as in particular buffer solutions, naturally occurring body fluids such as blood, serum, plasma, lymph or urine or egg yolk or optically cloudy liquids or tissue fluids or surface water.
  • aqueous solutions such as in particular buffer solutions
  • naturally occurring body fluids such as blood, serum, plasma, lymph or urine or egg yolk
  • optically cloudy liquids or tissue fluids or surface water water or soil or plant extracts or bio or synthesis process broths or are taken from biological tissue parts or from cell cultures or extracts.
  • Another object of the invention is the use of a component from the group of components, which is formed by a waveguide plate according to the invention, a sensor platform according to the invention and an arrangement of sample containers according to the invention in each case according to one of the aforementioned embodiments, and / or the use of an optical according to the invention System and / or a detection method according to the invention for quantitative or qualitative analyzes for the determination of chemical, biochemical or biological analytes in screening methods in pharmaceutical research, combinatorial chemistry, clinical and preclinical development, for real-time binding studies and for determining kinetic parameters in affinity screening and in research, on qualitative and quantitative analyte determinations, especially for DNA and RNA analysis, for the preparation of toxicity studies and for the determination of gene or prot a-Expression profiles and for the detection of antibodies, antigens, pathogens or bacteria in pharmaceutical product development and research, human and veterinary diagnostics, agrochemical product development and research, symptomatic and presymptomatic plant diagnostics, for patient stratification in pharmaceutical product development and for therapeutic drug
  • FIG. 1 is a plan view of a waveguide plate according to the invention with a hat indicated by dashed lines, which supplements it to an arrangement of sample containers, in this example according to the grid of the base area geometry of industrial standard plates, Fig. 2 shows a section along LL-LL in Fig. 1 and
  • FIG. 3 schematically shows the use of the part of an arrangement of sample containers adjoining the waveguide plate or sensor platform with a waveguide plate according to the invention or a sensor platform based thereon as a boundary surface.
  • Example 1 Design of a waveguide plate according to the invention and thus possible arrangement of sample containers that can be generated
  • the waveguide plate according to the invention consists (Fig. 1, 2, the representations are schematic and not to scale) of a glass substrate 1, for. B. from AF 45 Schott DESAG with dimensions of 102 mm x 72 mm and a thickness of 0.7 mm, which carries on one side a waveguide layer 2 made of Ta 2 O 5 of 150 nm thickness.
  • Their refractive index is, for example, 2.11 at a wavelength of 633 nm, depending on the manufacturing process.
  • other substances are also suitable as material for the waveguide layer, in particular Nb O 5 , TiO, ZrO 2 , Al O 3 , SiO 2 - TiO 2 , HfO 2 , Y 2 O 3 , SiO x N y , Si 3 N 4 , HfO x N y , AlO x N y , TiO x N y , MgF 2 or CaF 2 .
  • a plurality of parallel, spaced-apart coupling grating strips 3 are arranged on the surface carrying the waveguide layer 2, each of which extends parallel to the line over the entire width of the waveguide plate.
  • the width of each of the coupling grid strips 3 is 0.5 mm.
  • the parameters defining the grating are very precisely observed over the entire length of the coupling grating strip.
  • an adjacent coupling grating strip 3 of the waveguide plate 2 is detected in a manner known per se by means of a suitable light source at the coupling angle ⁇ with light of a specific wavelength, in the example by means of a He-Ne Lasers with light of 633 nm wavelength, exposed.
  • the high accuracy with which the coupling angle ⁇ is maintained over the length of the coupling grating strip 3 allows a simultaneous examination of the cavities arranged along the same with high efficiency. Since the coupling angle ⁇ deviates only slightly from the mean value over the entire waveguide plate 2, no complex optimization of the same is required for the examination of the next row of cavities 8 either.
  • Example 2 Characterization of a waveguide plate according to the invention
  • the waveguide plate is provided as a base plate for an arrangement of 96 sample containers (designed as flow cells) in a geometry corresponding to FIG. 1 (8 rows x 12 columns of sample containers).
  • the distance to the excitation light radiation and detection of the measurement light from measurement positions for sample containers in adjacent rows and columns is 9 mm in each case.
  • the optical system for determining the parameters mentioned for characterizing a waveguide plate comprises three lasers or laser diodes as alternative excitation light sources, with emission at 635 nm, 532 nm and 492 nm.
  • the excitation light of the different lasers is emitted by a system of lenses and diaphragms (for beam shaping ) and mirrors each directed to the coupling grating of the waveguide plate.
  • the last mirror in the beam path before the light hits the waveguide plate is mounted on a goniometer (resolution in this example 0.01 °) in order to set the coupling angle precisely or to deflect the excitation light to determine the total excitation intensity radiated onto the waveguide plate ( In) as well as the sum (I r ) of reflected and coupled out again parallel light.
  • the adjustment of the lateral position of the radiation of the excitation light on the waveguide plate (x: perpendicular to the coupling grating strips, y: parallel to the coupling grating strips) is carried out by shifting the waveguide plate with the aid of translation elements (resolution in this example approx. 20 ⁇ m).
  • the adjustment for maximum coupling takes place by maximizing the signal of the light coupled out in the direction of propagation of the light coupled into the waveguide layer, which is detected by a photodiode (with a downstream amplifier) at the subsequent coupling grating.
  • a photodiode with a downstream amplifier
  • the intensities of the outcoupled light (I out ) detected by the photodiode are measured. From these intensity profiles, the optimal values for maximum coupling as well as the half widths of these coupling curves (resonance curves) are determined.
  • the coupling efficiency then results from the quotient (Io-Itr-I r ) / Io-
  • the light emitted from the region of the waveguide plate to be examined is applied to an spatially resolving detector, for example an imaging system (combination of objectives).
  • an imaging system for example an imaging system (combination of objectives).
  • the measurement is also carried out at the respective excitation wavelength (ie if necessary using a neutral filter for attenuation of intensity, but without a spectrally selective filter), while the determination of the luminescence background (h) is carried out using an appropriate interference filter , mounted in a filter wheel that can be rotated in the beam path to record this measuring light.
  • an average value of the signal intensity (of all pixels) of the entire area to be examined is first determined from the recording (at the excitation wavelength). It should be noted that the area of the coupling grating or areas directly adjacent to it are not detected during this averaging and, of course, no reflections strike the detector. A threshold value intensity is then defined, which lies clearly above the limit range of the noise of this average signal (can be set by the user, for example average signal + its 10-fold standard deviation). All pixel signals above this threshold are classified as being caused by scattering centers, and a table is created as to how many of these pixels in a (two-dimensional) connected area signals above the threshold (size of the Scatter Centers). The complete scatter center analysis then results in the form of a "histogram" with the number of scatter centers as a function of their size.
  • the luminescence background is determined using a suitable spectral filter for the relevant luminescence wavelength.
  • Both local, luminescent contaminations can be determined, for example in a manner analogous to the scattering center analysis, and overall (as an integral) of all pixel values relevant for the analysis, luminescence intensities can be determined for the entire area to be examined.
  • the measured values are preferably corrected or referenced with the available excitation light intensity.
  • threshold values can also be defined here if a waveguide plate is to be rejected if they are exceeded or undershot.
  • All of the described steps for characterizing the waveguide plate are preferably carried out in a fully automated / computer-controlled manner, particularly preferably using an automatically generated protocol which includes, for example, tables of the specific parameters and, if appropriate, corresponding graphic representations.
  • the grading of the examined waveguide plates and their storage according to different categories which can be defined by the user are also preferably carried out in an automated form.
  • the change in the coupling angle for both excitation wavelengths is less than 0.17 cm on all coupling grating strips (columns, see Table 1), and the deviation from the mean value is less than 0.5 ° on the entire waveguide plate.
  • Table 1 Average coupling angles on neighboring coupling grid strips ("columns") and maximum positive and negative deviation of the coupling angles within a coupling grid strip. Last row: average values and maximum deviations on the whole

Description

WELLENLEITERPLATTE SOWIE DARAUF BASIERENDE SENSORPLATTFORMEN, ANORDNUNGEN VON PROBENBEHÄLTNISSEN UND NACHWEISVERFAHREN
Die Erfindung betrifft eine Wellenleiterplatte und verschiedene Ausführangsforrnen einer auf einer erfindungsgemassen Wellenleiterplatte basierenden Sensorplattform sowie Anordnungen von Probenbehältnissen mit einer erfindungsgemassen Wellenleiterplatte oder Sensorplattform als einer Begrenzungsfläche besagter Anordnung von Probenbehältnissen. Die Erfindung betrifft ausserdem auf dem Einsatz dieser Wellenleiterplatte oder Sensorplattform basierende optische Systeme und Verfahren zum Nachweis eines oder mehrerer Analyten und deren Verwendung, z. B. für analytische Zwecke im biochemischen und medizinischen Bereich.
Aus der US-A-5 675 691 ist eine gattungsgemässe Wellenleiterplatte bekannt, bei der Koppelgitter hergestellt werden, indem auf ein Substrat aus Glas, insbesondere Quarzglas, Keramik oder vorwiegend organischem Material eine Wellenleiterschicht aus TiO ,
Ta2O5, HfO2, Y2O3, Al2O3, Nb2O5, Nitrid oder Oxynitrid von AI, Si oder Hf aufgebracht wird, wobei eine Zwischenschicht von 20 nm Dicke z. B. aus SiO vorgesehen sein kann, und durch Ablation oder Veränderung des Brechungsindex mittels Belichtung durch zwei überlagerte Strahlen eines Excimer-Lasers oder durch einen von einer Maske modifizier- ten Strahl besagte Koppelgitter strukturiert werden. Stattdessen kann auch eine Zwischenschicht, z. B. aus TiO , bei der die Ablationsschranke tiefer liegt, strukturiert werden, die entweder auf die Wellenleiterschicht oder direkt auf das Substrat aufgebracht und in letzterem Fall nach der Strukturierung mit der Wellenleiterschicht überlagert wird. Die Gitterkonstanten liegen beispielsweise bei 375 nm oder 440 nm. Die Gitterfläche ist frei wählbar und kann z. B. 1 mm x 1 mm oder 8 mm x 8 mm betragen.
Aus US-A-5 822 472 ist eine Wellenleiterplatte für chemische Analysen bekannt, die auf einem Träger aus Kunststoff, Glas oder Quarz eine Wellenleiterschicht von 40 nm bis 160 nm Dicke aus TiO2, ZnO, Nb O5, Ta2O5, HfO2 oder ZrO2 trägt. Dazwischen kann eine Zwischenschicht aus nicht lumineszierendem Material von niedrigem Brechungs- index, z. B. Quarz von beispielsweise 100 nm Dicke angeordnet sein, die zugleich als Haftvermittler dient. Es sind ein Einkoppelgitter und ein Auskoppelgitter vorgesehen, welche mit bekannten photolithographischen oder holographischen und Aetzverfahren entweder im Träger oder in der Wellenleiterschicht angelegt sind und eine Gitterkonstante von zwischen 200 nm und 1 '000 nm aufweisen. Die Gitter können Dimensionen von 2 mm (linienparallel) x 4 mm aufweisen bei einer Gesamtfläche der Wellenleiterplatte von 12 mm x 20 mm.
Aus J. Dübendorfer, R. E. Kunz: 'Compact integrated optical immunosensor using replicated chirped grating coupler sensor chips', Applied Optics 37/10 (1. 4. 1998) ist eine Wellenleiterplatte bekannt mit einer Trägerplatte aus Polycarbonat, in welche ein moduliertes Einkoppelgitter mit zwischen 420 nm und 422,8 nm variierender Gitterkonstante und ein Auskoppelgitter mit zwischen 595,1 nm und 600,8 nm variierender Gitterkonstante eingeprägt wurde. Anschliessend wurde mittels Niedertemperatur-DC- Magnetron-Sputterns eine Wellenleiterschicht aus TiO2 mit einer Dicke von 137 nm und einem Brechungsindex von 2,346 aufgebracht und schliesslich die Wellenleiterplatte silanisiert. Der Einkoppelwinkel liegt bei -9,5°, der Auskoppelwinkel bei 22,5°.
US-A-5 738 825 ist eine Mikrotiterplatte entnehmbar, an deren Unterseite eine Wellenleiterschicht von 20 nm bis l'OOO nm, vorzugsweise 30 nm bis 500 nm Dicke aus TiO2, Ta2O5, HfO2, ZrO2, SiO2, Si3N4, Al2O3, Nb2O5, Nitrid oder Oxynitrid von AI, Si oder Hf angebracht und von einer Kunststoff Schicht bedeckt ist. Unterhalb jeder Kavität sind Ein- und Auskoppelgitter angebracht. Die Gitter weisen eine Gitterkonstante von zwischen 330 nm und 1 '000 nm, insbesondere ca. 400 nm bis 800 nm auf und sind mit lithographischen oder mechanischen Methoden hergestellt.
Aus der CH-A-688 165 ist eine Wellenleiterplatte bekannt mit einem Substrat aus Kuns- tstoff, z. B. Polycarbonat, dessen Oberfläche mechanisch - durch Tiefziehen, Prägen oder beim Spritzgiessen desselben - strukturiert, insbesondere mit einem Koppelgitter versehen wurde und eine durch ein PVD- Verfahren aufgebrachte Wellenleiterschicht aus TiO2, Ta2O5, ZrO2, Al2O3, SiO2-TiO2, HfO2, Y2O3, Nb2O5, Siliziumnitrid, Oxinitrid, SiOxNy, HfOxNy, AlOxNy, TiOxNy, MgF2 oder CaF2 trägt. Zur Verminderung der Dämpfungs- Verluste ist eine vor der Wellenleiterschicht auf das Substrat aufgebrachte ca. 20 nm dicke Zwischenschicht aus einem anorganischen dielektrischen Material wie SiO2 vorgesehen, die zugleich als Haftvermittler dient.
Alle oben beschriebenen Wellenleiterplatten sind nach Verfahren hergestellt, mit denen keine befriedigende Gleichmässigkeit des Koppelgitters zu erzielen ist, so dass der Koppelwinkel verhältnismässig stark schwankt. Dies führt dazu, dass beim Gebrauch die relative Winkellage des Belichtungsgeräts und der Wellenleiterplatte bei jedem Schritt aufwendig optimiert werden muss. Einige der beschriebenen Herstellungsverfahren sind auch sehr aufwendig oder gestatten keine sehr grossen Stückzahlen bei gleichbleibender Qualität.
Aus EP-A-0 602 829 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Gitterstruktur auf einem Substrat z. B. für einen DBR-Halbleiterlaser bekannt, bei welchem zuerst eine Phasenmaske hergestellt wird und anschliessend das Substrat, z. B. InP, unter dem Lithrow- Winkel durch die Phasenmaske hindurch belichtet wird. Die Belichtung kann mittels einer Hg-Xe-Bogenlampe mit einem Durchmesser der Lichtquelle von 0,25 mm erfolgen, wobei drei Linien von um 365 nm Wellenlänge herausgefiltert werden. Das Substrat befindet sich im Nahfeld der Phasenmaske, d. h. in einer Entfernung von höchstens 10 μm.
Zur Herstellung der Phasenmaske wird ein Quarzsubstrat mit drei Schichten, einer Photo- resistschicht, einer dünnen Germaniumschicht und schliesslich einer Schicht eines elektronenstrahlempfindlichen Resist bedeckt. Anschliessend wird die oberste Schicht durch Elektronenstrahlschreiben, Entwicklung der obersten Schicht und Entfernen der nichtbelichteten Teile strukturiert. Die Struktur wird durch reaktives Ionenätzen, zuerst mit CF3Br und dann O2 auf die darunterliegenden Schichten übertragen und schliesslich durch einen weiteren Schritt reaktiven Ionenätzens auf das Quarzsubstrat selbst über- tragen, worauf die Reste der Schichten entfernt werden. Die Gitterkonstante kann z. B. zwischen 190 nm und 250 nm liegen. Die Phasenmaske kann mehrere Zentimeter lang sein und das Gitter kann sich über ihre ganze Länge erstrecken. Die Länge der Linien beträgt allerdings in der Regel nur 5-20 μm. Grössere Längen sind möglich, erfordern aber sehr lange Bearbeitungszeiten. In der Praxis sind Gitter von mehr als 1 mm2 kaum mit vernünftigem Aufwand und guter Genauigkeit herzustellen. Insbesondere sind Versetzungsfehler beim Elektronenstrahlschreiben nicht zu vermeiden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Wellenleiterplatte bereitzustellen, welche mit geringem Aufwand durchführbare rasche Analysen gestattet. Diese Aufgabe wird durch eine erfindungsgemässe Wellenleiterplatte mit einem plattenförmigen Glassubstrat (1), welches eine Wellenleiterschicht (2) trägt, mit, auf der die Wellenleiterschicht (2) tragenden Oberfläche, mindestens einem Koppelgitter, welches als Liniengitter mit einer Periode zwischen 150 nm und l'OOO nm ausgebildet ist, dessen Aus- dehnung linienparallel mindestens 5 cm beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Koppelwinkel (Θ) entlang der Linie um höchstens 0,l°/cm ändert und der Absolutbetrag der Abweichung des Koppel winkeis (Θ) von einem Sollwert auf der Wellenleiterplatte 0,5° nicht überschreitet.
Ausserdem sollen eine auf einer solchen Wellenleiterplatte beruhende Sensorplattform sowie Anordnung von Probenbehältnissen bereitgestellt werden. Diese Aufgaben werden durch die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen von Sensorplattformen und Anordnungen von Probenbehältnissen gelöst.
Durch die auch bei grossen Gitterlängen engen Grenzen, innerhalb welcher der Koppelwinkel schwankt, ist es möglich, grössere Teile der Wellenleiterplatte oder Sensorplatt- form und Anordnung von Probenbehältnissen gleichzeitig zu belichten, d.h. Anregungslicht dort hinzuführen, und auszulesen, d.h. das von dort ausgehende Licht mit einem oder mehreren Detektoren zu erfassen. Auch nacheinander erfolgende Belichtungen verschiedener Teile der Wellenleiterplatte oder Sensorplattform und Anordnung von Probenbehältnissen sind vereinfacht, da eine Neuoptimierung der relativen Winkellage derselben und der Belichtungseinheit nicht erforderlich oder jedenfalls sehr erleichtert ist.
Des weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Nachweis eines oder mehrerer Analyten in einer oder mehreren Proben bereitzustellen, welches die Bestimmung einer Vielzahl von Proben innerhalb kurzer Zeit, d. h. wirtschaftlich günstig, und ohne die Notwendigkeit zusätzlicher aufwendiger Systemjustierungen zwischen aufeinanderfolgenden Einzelmessungen erlaubt. Dieses wird erfindungsgemäss ermöglicht durch die Anlage grosser, insbesondere linienparallel langer Gitter mit grosser Präzision, was zugleich Gestaltungsfreiheit bezüglich der Anordnung der Gitter gibt und dabei einfach und wirtschaftlich ist.
Erster Gegenstand der Erfindung ist eine Wellenleiterplatte mit einem plattenförmigen Glassubstrat (1), welches eine Wellenleiterschicht (2) trägt, mit, auf der die Wellenleiterschicht (2) tragenden Oberfläche, mindestens einem Koppelgitter, welches als Liniengitter mit einer Periode zwischen 150 nm und l'OOO nm ausgebildet ist, dessen Ausdehnung linienparallel mindestens 5 cm beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Koppel winkel (Θ) entlang der Linie um höchstens 0,17cm ändert und der Absolutbetrag der Abweichung des Koppel winkeis (Θ) von einem Sollwert auf der Wellenleiterplatte 0,5° nicht überschreitet.
Dabei wird bevorzugt, dass die Ausdehnung des Koppelgitters entlang der Linie mindestens 1 cm beträgt.
Ausserdem wird bevorzugt, dass sich der Koppelwinkel (Θ) entlang der Linie um höchstens 0,05 cm ändert.
Es wird weiterhin bevorzugt, dass der Absolutbetrag der Abweichung des Koppelwinkels (Θ) von seinem Mittelwert auf der Wellenleiterplatte 0,3°, vorzugsweise 0,15° nicht überschreitet.
Der Brechungsindex der Wellenleiterschicht (2) liegt vorzugsweise zwischen 1.65 und 2.80. Die Wellenleiterschicht (2) kann beispielsweise aus Ta O5, Nb2O5, TiO2, ZrO , Al2O3, SiO2-TiO2, HfO2, Y2O3, SiOxNy, Si3N4, HfOxNy, AlOxNy, TiOxNy, MgF2 oder CaF2 bestehen. Die Dicke der Wellenleiterschicht (2) beträgt bevorzugt zwischen 50 nm und 200 nm. Es ist vorteilhaft, wenn das das Nut-Steg- Verhältnis des mindestens einen Koppelgitters zwischen 0,3:1 und 3:1, vorzugsweise zwischen 0,7:1 und 1,5:1 liegt. Ausserdem wird bevorzugt, dass die Gittertiefe des mindestens einen Koppelgitters zwischen 5 nm und 75 nm liegt. Für viele Anwendungen ist es vorteilhaft, wenn das mindestens eine Koppelgitter nur einen Teil der Oberfläche der Wellenleiterplatte bedeckt, während ein verbleibender Teil frei bleibt. Dabei wird insbesondere bevorzugt, dass die Wellenleiterplatte mindestens ein Koppelgitter aufweist, das als Koppelgitterstreifen (3) ausgebildet ist, der sich linienparallel im wesentlichen über die ganze Breite oder Länge der Wellenleiterplatte erstreckt. Vorzugsweise sind dabei mehrere Koppelgitterstreifen (3) mit Abstand parallel zueinander angeordnet.
Die erfindungsgemässe Wellenleiterplatte kann vielfach abgewandelt werden, ohne dass der Grundgedanke der Erfindung verlassen würde. Beispielweise können auch variable Gitter mit z. B. linear veränderlichem Linienabstand hergestellt werden und als Koppelgitter auf der Wellenleiterplatte angeordnet sein.
Auch bezüglich der Anordnung der Koppelgitter gibt es weitere mögliche Ausführungsformen der erfindungsgemassen Wellenleiterplatte, welche vorteilhaft für spezifische Applikationen sein können.
Beispielsweise müssen mehrere Koppelgitter einer erfindungsgemassen Wellenleiterplatte nicht parallel, sondern können beispielsweise auch senkrecht zueinander angeordnet sein. Es können auch zwei oder mehrere Koppelgitter einander überlagert sein. Für viele Anwendungen wird es bevorzugt, dass die Koppelgitter monodiffraktiv sind; für spezifische Anwendungen jedoch, beispielsweise zur Einkopplung von Anregunggslicht unterschied- licher Wellenlängen von mehreren Lichtquellen in die Wellenleiterschicht (2), kann es vorteilhaft sein, wenn ein oder mehrere Koppelgitter multidiffraktiv sind.
Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemassen Wellenleiterplatte ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Koppelgitter im wesentlichen die ganze Oberfläche der Wellenleiterplatte bedeckt. Hierunter ist zu verstehen, dass in dieser bevorzugten Ausführungs- form beispielsweise Randgebiete der Wellenleiterplatte oder / und Gebiete zwischen grösseren mit einem Koppelgitter versehenen Bereichen (mit einer Fläche in der GrÖssen- ordnung von Quadratzentimetern) frei von Koppelgittern sein können.
Die erfindungsgemässe Wellenleiterplatte ist dadurch gekennzeichnet, dass darauf angeordnete Koppelgitter der Einkopplung von Anregungslicht von ein oder mehreren Lieh- tquellen in die Wellenleiterschicht (2) und / oder der Auskopplung von in der Wellenleiterschicht (2) geführtem Licht dienen.
Weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine spezielle Sensorplattform enthaltend eine Wellenleiterplatte nach einer der genannten Ausführungsformen, welche dadurch gekenn- zeichnet ist, dass direkt auf der Wellenleiterschicht (2) oder auf einer zusätzlich auf der Wellenleiterschicht (2) aufgebrachten Haftvermittlungsschicht biologische oder biochemische oder synthetische Erkennungselemente zur spezifischen Erkennung und / oder Bindung eines oder mehrerer Analyten und / oder zur spezifischen Wechselwirkung mit besagten Analyten immobilisiert sind.
Dabei wird bevorzugt, dass eine Vielzahl gleicher oder unterschiedlicher, biologischer oder biochemischer oder synthetischer Erkennungselemente in mindestens einem Array diskreter Messbereiche direkt auf der Wellenleiterschicht (2) oder auf einer zusätzlich auf der Wellenleiterschicht (2) aufgebrachten Haftvermittlungsschicht immobilisiert ist.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung sollen räumlich getrennte („diskrete") Messbereiche durch die geschlossene Fläche definiert werden, die dort immobilisierte biologische oder biochemische oder synthetische Erkennungselemente zur Erkennung eines Analyten aus einer flüssigen Probe einnehmen. Diese Flächen können dabei eine beliebige Geometrie, beispielsweise die Form von Punkten, Kreisen, Rechtecken, Dreiecken, Ellipsen oder Streifen, haben.
Eine gegebenenfalls auf der Wellenleiterschicht (2) aufgetragene Haftvermittlungsschicht sollte, ebenso wie die Wellenleiterschicht (2) und das Glassubstrat (1), wenigstens im spektralen Bereich eines eingestrahlten Anregungslichts und gegebenenfalls eines nachzuweisenden Lumineszenzlichts, transparent sein. Dabei kann sich der genannte transparente Spektralbereich zwischen dem Ultravioletten und dem Infraroten befinden.
Mit dem Begriff "Lumineszenz" wird hierin die spontane Emission von Photonen im ultravioletten bis infraroten Bereich nach optischer oder nichtoptischer, wie beispielsweise elektrischer oder chemischer oder biochemischer oder thermischer Anregung, bezeichnet. Beispielsweise sind Chemimmineszenz, Biolumineszenz, Elektrolumineszenz und insbesondere Fluoreszenz und Phosphoreszenz unter dem Begriff "Lumineszenz" mit eingeschlossen.
Die Haftvermittlungsschicht sollte nicht über die Eindringtiefe des evaneszenten Feldes aus der Wellenleiterschicht (2) in das darüber liegende Medium hinausragen. Sie kann beispielsweise eine Dicke von weniger als 200 nm, besonders bevorzugt von weniger als
20 nm haben.
Eine auf der Wellenleiterschicht (2) aufgebrachte Haftvermittlungsschicht umfasst vorzugsweise eine chemische Verbindung aus den Gruppen, die Silane, funktionalisierte Silane, Epoxide, funktionalisierte, geladene oder polare Polymere und "selbstorganisierte passive oder funktionalisierte Mono- oder Mehrfachschichten" umfassen.
Bevorzugt wird eine Ausführungsform einer erfindungsgemassen Sensorplattform, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass als besagte biologische oder biochemische oder synthetische Erkennungselemente direkt auf der Wellenleiterschicht (2) oder oder auf einer zusätzlich auf der Wellenleiterschicht (2) aufgebrachten Haftvermittlungsschicht Komponenten aus der Gruppe immobilisiert sind, die von Nukleinsäuren (beispielsweise DNA, RNA, Oligonukleotiden) und Nukleinsäureanalogen (z. B. PNA, „peptide nucleic acids"), Proteinen, insbesondere mono- oder polyklonalen Antikörpern, Peptiden, Enzymen, Aptameren, synthetischen Peptidstrukturen, löslichen, membrangebundenen und aus einer Membran isolierten Proteinen, wie beispielsweise Membranrezeptoren, deren Liganden, Antigenen für Antikörper, "Histidin-Tag-Komponenten" und deren Komplexbildungspartnern, durch chemische Synthese erzeugten Aushöhlungen zur Aufnahme molekularer Imprints, etc. gebildet wird.
Unter der letztgenannten Art von Erkennungselementen sind Aushöhlungen zu verstehen, die in einem Verfahren hergestellt werden, welches als "molecular imprinting" in der Literatur beschrieben wurde. Dazu wird, meistens in organischer Lösung, der Analyt oder ein Analogon des Analyten, in einer Polymerenstruktur eingekapselt. Man bezeichnet ihn dann als "Imprint". Dann wird der Analyt oder sein Analogon unter Zugabe geeigneter Reagentien aus der Polymerenstruktur wieder herausgelöst, so dass er dort eine leere Aushöhlung zurücklässt. Diese leere Aushöhlung kann dann als eine Bindungsstelle mit hoher sterischer Selektivität in einem späteren Nachweisverfahren eingesetzt werden. Es ist auch möglich, dass als biochemische oder biologische Erkennungselemente ganze Zellen oder Zellfragmente aufgebracht werden.
In vielen Fällen wird die Nachweisgrenze eines analytischen Verfahrens limitiert durch Signale sogenannter unspezifischer Bindung, d. h. durch Signale, welche durch Bindung des Analyten oder anderer zum Nachweis des Analyten eingesetzter Verbindungen erzeugt werden, welche nicht nur im Bereich der eingesetzten immobilisierten biologischen oder biochemischen oder synthetischen Erkennungselementen, sondern auch in davon unbedeckten Bereichen einer Sensorplattform gebunden werden, beispielsweise durch hydrophobe Adsorption oder durch elektrostatische Wechselwirkungen.
Daher ist es von Vorteil, wenn Bereiche zwischen den immobilisierten biologischen oder biochemischen oder synthetischen Erkennungselementen auf der Wellenleiterschicht (2) oder auf einer zusätzlich auf der Wellenleiterschicht (2) aufgebrachten Haftvermittlungsschicht oder / und zwischen den räumlich getrennten Messbereichen, zur Minimierung unspezifischer Bindung von Analyten oder deren Nachweissubstanzen, "passiviert sind", indem hierzu in den besagten Zwischenbereichen gegenüber dem Analyten "chemisch neutrale" Verbindungen aufgebracht sind, vorzugsweise beispielsweise bestehend aus den Gruppen, die von Albuminen, insbesondere Rinderserumalbumin oder Humanserumalbumin, Casein, unspezifischen, polyklonalen oder monoklonalen, artfremden oder empirisch für den oder die nachzweisenden Analyten unspezifischen Antikörpern (insbesondere für Immunoassays), Detergentien - wie beispielsweise Tween 20 -, synthetischen und natürlichen Lipiden, nicht mit zu analysierenden Polynukleotiden hybridisierender, fragmentierter natürlicher oder synthetischer DNA, wie beispielsweise ein Extrakt von Herings- oder Lachssperma (insbesondere für Polynukleotid-Hybridisierungsassays), oder auch hydrophilen Polymeren, wie beispielsweise Polyethylenglycolen oder Dextranen, gebildet werden.
Es wird bevorzugt, dass eine erfindungsgemässe Wellenleiterplatte bzw. Sensorplattform mit einer Anordnung von vorzugsweise im wesentlichen geschlossenen Probenbehältnissen versehen ist, zur Einbringung einer oder mehrerer zu untersuchender flüssiger Proben. Gegenstand der Erfindung ist dabei eine Anordnung von ein oder mehr Probenbehältnissen, umfassend eine erfindungsgemässe Wellenleiterplatte oder eine erfindungsgemässe Sensorplattform als Grundplatte und einen damit derart zusammengebrachten Körper, dass zwischen der Grundplatte und besagtem Körper eine oder mehrere räumliche Aussparungen zur Erzeugung einer oder mehrerer gegeneinander fluidisch abgedichteter Flusszellen mit jeweils mindestens einem Zulauf und mindestens einem Ablauf erzeugt werden.
Bevorzugt wird dabei eine Anordnung von Probenbehältnissen in einem ein- oder zwei- dimensionalen Array, umfassend eine erfindungsgemässe Wellenleiterplatte oder eine erfindungsgemässe Sensorplattform als Grundplatte und einen damit derart zusammengebrachten Körper, dass zwischen der Grundplatte und besagtem Körper ein Array von räumlichen Aussparungen zur Erzeugung eines Arrays von gegeneinander fluidisch abgedichteten Flusszellen mit jeweils mindestens einem Zulauf und mindestens einem Ablauf erzeugt wird.
Eine spezielle Ausführungsform der erfindungsgemassen Anordnung von Probenbehältnissen ist dadurch gekennzeichnet, dass auf der Wellenleiterplatte oder der Sensorplatt- form als Grundplatte räumliche Strukturen im Raster des Arrays der zu erzeugenden Flusszellen ausgebildet sind.
Es wird bevorzugt, dass zur Erzeugung der räumlichen Aussparungen zwischen der Wellenleiterplatte oder der Sensorplattform als Grundplatte und dem damit zusammenge- brachten Körper Ausnehmungen in besagtem Körper ausgebildet sind.
Aus fertigungstechnischen Gründen kann es von Vorteil sein, wenn der mit der Wellenleiterplatte oder der Sensorplattform als Grundplatte zusammengebrachte Körper aus mehreren Teilen zusammengesetzt ist, wobei die zusammengefügten Bestandteile besagten Körpers vorzugsweise eine irreversibel zusammengefügte Einheit bilden.
Dabei wird bevorzugt, dass der mit der Wellenleiterplatte oder der Sensorplattform als Grundplatte zusammengebrachte Körper hilfsweise Vorkehrungen umfasst, welche das Zusammenfügen besagten Körpers und der Grundplatte erleichtern. Eine erfindungsgemässe Anordnung von Probenbehältnissen kann beispielsweise 2 - 2000, vorzugsweise 2 - 400, besonders bevorzugt 2 - 100 Flusszellen umfassen.
Es wird bevorzugt, dass das Raster (Aufeinanderfolge in Zeilen und / oder Spalten) der Zuläufe der Flusszellen dem Raster der Wells einer industriellen Standardplatte entspricht.
Eine spezielle Ausführungsform einer erfindungsgemassen Anordnung von Probenbehältnissen betrifft beispielsweise 2 bis 8 Probenbehältnissen in einer Spalte oder beispiels- weise 2 bis 12 Probenbehältnissen in einer Zeile, welche ihrererseits mit einem Träger ("Metaträger") mit den Abmessungen von industriellen Standardplatten derart zusammengefügt werden, dass das Raster (Aufeinanderfolge in Zeilen oder Spalten) der Zuläufe der Flusszellen dem Raster der Wells einer industriellen Standardplatte entspricht.
Für viele Anwendungen, beispielsweise im Laufe von Nukleinsäure-Hybridisierungs- assays mit Denaturierungsschritten bei erhöhter Temperatur (z. B. auf 80°C) kann es von Vorteil sein, wenn die erfindungsgemässe Anordnung von Probenbehältnissen durch einen zusätzlichen Abschluss, beispielsweise eine Folie, Membran oder eine Deckplatte, abgeschlossen wird. Damit kann beispielsweise eine Verdunstung von Flüssigkeit aus den Zu- und Ablaufsöffnungen der Probenbehältnisse verhindert werden.
In einer erfindungsgemassen Anordnung von Probenbehältnissen kann typischerweise das Innenvolumen jeder Flusszelle 0.1 μl - 1000 μl, bevorzugt 1 μl - 20 μl betragen.
Es wird bevorzugt, dass die Tiefe der Ausnehmungen zwischen der Wellenleiterplatte oder der Sensorplattform als Grundplatte und dem damit zusammengefügten Körper 1 - 1000 μm, bevorzugt 20 - 200 μm beträgt.
Typischerweise betragen die Grundflächen der Ausnehmungen zwischen der Wellenleite- rplatte oder der Sensorplattform als Grundplatte und dem damit zusammengefügten
Körpers jeweils 0.1 mm2 - 200 mm2, bevorzugt 1 mm2 - 100 mm2, wobei die Grosse der Ausnehmungen eines Arrays einheitlich oder unterschiedlich sein kann und die Grund- flächen eine beliebige, vorzugsweise rechteck- oder polygonförmige oder auch andere Geometrie haben.
Eine erfindungsgemässe Anordnung von Probenbehältnissen nach einer der genannten Ausführungsformen ist dadurch gekennzeichnet, dass die Materialien des mit der Wellenleiterplatte oder der Sensorplattform als Grundplatte zusammengebrachten Körpers sowie eines optionalen zusätzlichen Abschlusses ausgewählt sind aus der Gruppe von form-, spritz- oder fräsbaren Kunststoffen, Metallen, Silikaten, wie zum Beispiel Glas, Quarz oder Keramiken.
Weitere Ausführungsformen von geeigneten Anordnungen von Probenbehältnissen sind in der PCT/EP 00/12668 beschrieben. In Kombination mit einer erfindungsgemassen Wellenleiterplatte sind die dort beschriebenen Anordnungen von Probenbehältnissen ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein optisches System zur Bestimmung einer oder mehrerer Lumineszenzen, mit
- mindestens einer Anregungslichtquelle
- einer erfindungsgemassen Wellenleiterplatte oder einer erfindungsgemassen Sensorplattform oder einer erfindungsgemassen Anordnung von
Probenbehältnissen, jeweils nach einer der genannten Ausführungsformen sowie mindestens einem Detektor zur Erfassung des von der Wellenleiterplatte oder der Sensorplattform und von gegebenenfalls darauf befindlichen Messbereichen ausgehenden Lichts.
Eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemassen optischen Systems ist dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungslicht in einer Auflicht- oder Transmissionslichtanordnung zu den Messbereichen eingestrahlt wird.
Es wird bevorzugt, dass die Detektion des Lumineszenzlichts derart erfolgt, dass das von einem Koppelgitter ausgekoppelte Anregungs- oder Lumineszenzlicht vom Detektor mit erfasst wird. Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemassen optischen Systems ist dadurch gekennzeichnet, dass das von der mindestens einen Lichtquelle ausgesandte Anregungslicht weitgehend parallel ist und unter dem Resonanzwinkel zur Einkopplung in die Wellenleiterschicht (2), über ein Koppelgitter, auf ein Koppelgitter der Wellenleiterplatte oder der Sensorplattform oder der Anordnung von Probenbehältnissen eingestrahlt wird.
Unter einem „im wesentlichen parallelen" Lichtbündel soll dabei verstanden werden, dass dessen Konvergenz oder Divergenz weniger als 1° beträgt. Entsprechend soll „im wesentlichen orthogonal" oder „im wesentlichen normal" eine Abweichung von einer entspre- chenden orthogonalen bzw. normalen Ausrichtung von weniger als 1° bedeuten.
Für die meisten Ausführungsformen (mit Ausnahme derjenigen, welche auf einer polychromatischen Lichtquelle beruhen) wird ausserdem bevorzugt, dass das Anregungslicht im wesentlichen monochromatisch eingestrahlt wird. Unter einem „im wesentlichen monochromatischen" Anregungslicht soll dabei verstanden werden, dass seine spektrale Bandbreite weniger als 1 nm beträgt.
Weiterhin wird bevorzugt, dass das Anregungslicht linear polarisiert eingestrahlt wird, zur Anregung eines in der Wellenleiterschicht (2) geführten TE0- oder TMo-Modes.
Für bestimmte Anwendungen wird bevorzugt, dass als Anregungslichtquellen zwei oder mehr Lichtquellen mit gleicher oder unterschiedlicher Emissionswellenlänge verwendet werden. Vorzugsweise handelt es sich dabei um kohärente Lichtquellen.
Kennzeichen einer speziellen Ausführungsform eines erfindungsgemassen optischen
Systems ist, dass das Anregungslicht von mindestens einer Lichtquelle mit einer Aufweitungsoptik zu einem im wesentlichen parallelen Strahlenbündel aufgeweitet wird und auf einen oder mehrere Messbereiche auf einem Koppelgitter eingestrahlt wird, wobei dieses bevorzugt unter dem Resonanzwinkel zur Einkopplung in die Wellenleiterschicht (2) erfolgt.
Eine andere spezielle Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungslicht von der mindestens einen Lichtquelle durch ein oder, im Falle mehrerer Lichtquel- len, gegebenenfalls mehrere diffraktive optische Elemente, vorzugsweise Dammann- Gitter, oder refraktive optische Elemente, vorzugsweise Mikrolinsen- Arrays, in eine Vielzahl von Einzelstrahlen möglichst gleicher Intensität der von einer gemeinsamen Lichtquelle stammenden Teilstrahlen zerlegt wird, welche jeweils im wesentlichen parallel zueinander auf ein oder mehrere Koppelgitter und gegebenenfalls darauf oder daneben befindliche, voneinander räumlich getrennte Messbereiche eingestrahlt werden.
Für einige Anwendungen, beispielsweise zur Erstellung von Expressionsprofilen in der Nukleinsäure- Analytik, wird bevorzugt, dass als Anregungslichtquellen zwei oder mehrere Lichtquellen mit gleicher oder unterschiedlicher Emissionswellenlänge verwendet werden.
Dabei kann das Anregungslicht von 2 oder mehr Lichtquellen gleichzeitig oder sequentiell aus verschiedenen Richtungen auf zwei oder mehr einander überlagerte Koppelgitter (als Bestandteil einer speziellen Ausführungsform einer erfindungsgemassen Wellenleiterplatte oder Sensorplattform oder Anordnung von Probenbehältnissen) eingestrahlt werden, welche vorzugsweise unterschiedliche Periodizität haben.
Es wird bevozugt, dass zur Detektion mindestens ein ortsauflösender Detektor verwendet wird, beispielsweise aus der Gruppe, die von CCD-Kameras, CCD-Chips, Photodioden- Arrays, Avalanche-Dioden- Arrays, Multichannelplates und Vielkanal-Photomuliplier gebildet wird.
In einem optischen System nach einer der genannten Ausführungsformen können im optischen Weg zwischen der einen oder mehreren Anregungslichtquellen und einer
Komponente aus der Gruppe von Komponenten, welche gebildet wird von einer erfindungsgemassen Wellenleiterplatte, einer erfindungsgemassen Sensorplattform und einer erfindungsgemassen Anordnung von Probenbehältnissen, jeweils nach einer der genannten Ausführungsformen, und / oder im optischen Weg zwischen besagter Gruppe von Komponenten und dem einen oder mehreren Detektoren optische Komponenten aus der
Gruppe verwendet werden, die von Linsen oder Linsensystemen zur Formgestaltung der übertragenen Lichtbündel, planaren oder gekrümmten Spiegeln zur Umlenkung und gegebenenfalls zusätzlich zur Formgestaltung von Lichtbündeln, Prismen zur Umlenkung und gegebenenfalls zur spektralen Aufteilung von Lichtbündeln, dichroischen Spiegeln zur spektral selektiven Umlenkung von Teilen von Lichtbündeln, Neutralfiltern zur Regelung der übertragenen Lichtintensität, optischen Filtern oder Monochromatoren zur spektral selektiven Übertragung von Teilen von Lichtbündeln oder polarisationsselektiven Elementen zur Auswahl diskreter Polarisationsrichtungen des Anregungs- oder Lumineszenzlichts gebildet wird.
Eine spezifische Ausführungsform eines erfindungsgemassen optischen Systems ist dadurch gekennzeichnet, dass die Einstrahlung des Anregungslichts in Pulsen mit einer Dauer zwischen 1 fsec und 10 Minuten erfolgt und das Emissionslicht aus den Messbereichen zeitlich aufgelöst gemessen wird.
Es wird bevorzugt, dass zur Referenzierung Lichtsignale aus der Gruppe gemessen werden, die von Anregungslicht am Ort der Lichtquellen oder nach ihrer Aufweitung oder nach ihrer Unterteilung in Teilstrahlen, Streulicht bei der Anregungswellenlänge oder Emissionslicht bei einer anderen Wellenlänge als derjenigen eines verwendeten Lumineszenzlichts zum Nachweis eines Analyten aus dem Bereich der einen oder mehreren räumlich getrennten Messbereiche, und über ein Koppelgitter neben den Messbereichen ausgekoppeltem Licht der Anregungswellenlänge gebildet werden.
Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn die Messbereiche zur Bestimmung des Emissionslichts und des Referenzsignals identisch sind.
Die Einstrahlung des Anregungslichts und Detektion des Emissionslichts von einem oder mehreren Messbereichen können gleichzeitig oder auch sequentiell für einzelne oder mehrere Messbereiche erfolgen.
Es wird bevorzugt, dass sequentielle Anregung und Detektion unter Verwendung beweglicher optischer Komponenten erfolgt, die aus der Gruppe von Spiegeln, Umlenk- prismen und dichroischen Spiegeln gebildet wird. Dabei ist eine spezielle Ausführungsform eines erfindungsgemassen optischen Systems dadurch gekennzeichnet, dass sequentielle Anregung und Detektion unter Verwendung eines im wesentlichen winkel- und fokusgetreuen Scanners erfolgt.
Eine andere Variante für sequentielle Anregung und Detektion der Emission von einzelnen oder mehreren Messbereichen besteht darin, dass die Wellenleiterplatte oder Sensorplattform oder Anordnung von Probenbehältnissen zwischen Schritten der sequentiellen Anregung und Detektion bewegt wird.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum gleichzeitigen qualitativen und / oder quantitativen Nachweis einer Vielzahl von Analyten mit einer Komponente aus der Gruppe von Komponenten, welche gebildet wird von einer erfindungsgemassen Wellenleiterplatte, einer erfindungsgemassen Sensorplattform und einer erfindungs- gemässen Anordnung von Probenbehältnissen, und / oder unter Verwendung eines erfindungsgemassen optischen Systems, jeweils nach einer der genannten Ausführungsformen, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass eine oder mehrere auf besagte Analyten zu untersuchende flüssige Proben mit den Messbereichen auf einer der besagten Komponenten in Kontakt gebracht werden, Anregungslicht zu den Messbereichen eingestrahlt wird und mindestens ein Lichtanteil von (A) und (B), (A) von den besagten Messbereichen ausgehendem Licht und (B) gegebenenfalls einer oder mehrerer im Nahfeld der Wellenleiterschicht (2) erzeugter Lumineszenzen aus den mit besagter Probe oder besagten Proben in Kontakt gebrachten Messbereichen, als Folge der Bindung eines oder mehrerer Analyten an die in besagten Messbereichen immobilisierten biologischen oder bio- chemischen oder synthetischen Erkennungselemente oder der Wechselwirkung zwischen besagten Analyten und besagten immobilisierten Erkennungselementen, gemessen wird.
Wiederum wird bevorzugt, dass das Anregungslicht im wesentlichen parallel eingestrahlt wird und im wesentlichen monochromatisch ist. Besonders von Vorteil ist dabei, wenn das Anregungslicht linear polarisiert eingestrahlt wird, zur Anregung eines in der Schicht
(a) geführten TE0- oder TM0-Modes. Besonders bevorzugt wird für eine Vielzahl von Ausführungsformen des erfindungsgemassen Verfahrens, dass das Anregungslicht von mindestens einer Lichtquelle mit einer Aufweitungsoptik möglichst homogen zu einem im wesentlichen parallelen Strahlenbündel aufgeweitet wird und zu dem einen oder den mehreren Messbereichen eingestrahlt wird. Dabei wird bevorzugt, dass der Durchmesser des eingestrahlten Anregungslichtbündels mindestens in einer Dimension mindestens 2 mm, bevorzugt mindestens 10 mm beträgt.
Eine andere Ausführungsform des erfindungsgemassen Verfahrens ist dadurch gekenn- zeichnet, dass das Anregungslicht von der mindestens einen Lichtquelle durch ein oder, im Falle mehrerer Lichtquellen, gegebenenfalls mehrere diffraktive optische Elemente, vorzugsweise Dammann-Gitter, oder refraktive optische Elemente, vorzugsweise Mikro- linsen- Arrays, in eine Vielzahl von Einzelstrahlen möglichst gleicher Intensität der von einer gemeinsamen Lichtquelle stammenden Teilstrahlen zerlegt wird, welche jeweils im wesentlichen parallel zueinander zu räumlich getrennten Messbereichen eingestrahlt werden.
In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemassen Verfahrens wird bevorzugt, dass als Anregungslichtquellen zwei oder mehr kohärente Lichtquellen mit gleicher oder unterschiedlicher Emissionswellenlänge verwendet werden.
Es wird bevorzugt, dass das Anregungslicht zu den Messbereichen über ein oder mehrere Koppelgitter in die Wellenleiterschicht (2) eingekoppelt wird.
Das erfindungsgemässe Nachweisverfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass (a) die isotrop abgestrahlte Lumineszenz oder (b) in die Wellenleiterschicht (2) eingekoppelte und über Koppelgitter ausgekoppelte Lumineszenz oder Lumineszenzen beider Anteile (a) und (b) gleichzeitig gemessen werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist auch dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Lumineszenz ein Lumineszenzfarbstoff oder lumineszentes Nanopartikel als Lumineszenzlabel verwendet wird, das bei einer Wellenlänge zwischen 300 nm und 1100 nm angeregt werden kann und emittiert. Kennzeichen einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemassen Verfahrens ist, dass das Lumineszenzlabel an den Analyten oder in einem kompetitiven Assay an einen Analogen des Analyten oder in einem mehrstufigen Assay an einen der Bindungspartner der immobilisierten biologischen oder biochemischen oder synthetischen Erkennungselementen oder an die biologischen oder biochemischen oder synthetischen Erkennungselemente gebunden ist.
Eine spezielle Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites oder noch weitere Lumineszenzlabel mit gleicher oder unterschiedlicher Anregungswellenlänge wie das erste Lumineszenzlabel und gleicher oder unterschiedlicher Emissionswellenlänge verwendet werden
Dabei wird bevorzugt, dass das zweite oder noch weitere Lumineszenzlabel bei der gleichen Wellenlänge wie das erste Lumineszenzlabel angeregt werden kann, aber bei anderen Wellenlängenals das erste Lumineszenzlabel emittieren.
Für spezifische Anwendungen ist es demgegenüber von Vorteil, wenn die Anregungsspektren und Emissionsspektren der eingesetzten Lumineszenzlabel nur wenig oder gar nicht überlappen.
Eine andere spezielle Ausführungsform des erfindungsgemassen Nachweisverfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass zum Nachweis des Analyten Ladungs- oder optischer Energietransfer von einem als Donor dienenden ersten Lumineszenzlabel zu einem als Akzeptor dienenden zweiten Lumineszenzlabel verwendet wird.
Beispielsweise zur Verringerung des Beitrags von Untergrundsignal bei der Anregungswellenlänge zum erfassten Messignal kann es vorteilhaft sein, wenn die einen oder mehreren Lumineszenzen und / oder Bestimmungen von Lichtsignalen bei der Anregungswellenlänge polarisationsselektiv vorgenommen werden, wobei vorzugsweise die einen oder mehreren Lumineszenzen bei einer anderen Polarisation als der des Anregungslichts gemessen werden. Eine weitere spezielle Ausführungsform eines erfindungsgemassen Nachweisverfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass neben der Bestimmung einer oder mehrerer Lumineszenzen Änderungen des effektiven Brechungsindex auf den Messbereichen bestimmt werden.
Diese Weiterentwicklung, als ein kombiniertes Verfahren einer Bestimmung des effektiven Brechungsindex und einer ortsaufgelösten Lumineszensmessung, ermöglicht es beispielsweise, die Bindung eines Liganden als Analyten an ein in einem oder mehreren Messbereichen immobilisiertes biologisches oder biochemisches oder synthetisches Erkennungselement als Rezeptor anhand der Änderung des effektiven Brechungsindexes zu bestimmen und eine funktionale Antwort dieses Liganden-Rezeptor-Systems anhand einer Lumineszenzänderung aus besagten Messbereichen zu bestimmen.
Beispielsweise kann es sich bei besagtem Rezeptor-Liganden-System um ein Trans- membranrezeptorprotein handeln, an welches ein entsprechender Ligand aus einer zugeführten Probe bindet. Eine funktionale Antwort dieses Rezeptor-Liganden-Systems kann beispielsweise in der Öffnung eines Ionenkanals bestehen, mit der Folge einer lokalen Veränderung des pH oder / und der Ionenkonzentration. Eine solche lokale Änderung kann beispielsweise unter Verwendung eines Lumineszenzfarbstoffes mit pH-abhängiger oder / und ionenabhängiger Lumineszenzintensität und / oder spektraler Emission delektiert werden.
Das erfindungsgemässe Nachweisverfahren nach einer der vorgenannten Ausführungsformen eignet sich zur gleichzeitigen oder sequentiellen, quantitativen oder qualitativen Bestimmung eines oder mehrerer Analyten aus der Gruppe von Antikörpern oder Anti- genen, Rezeptoren oder Liganden, Chelatoren oder "Histidin-tag-Komponenten", Oligo- nukleotiden, DNA- oder RNA-Strängen, DNA- oder RNA-Analoga, Enzymen, Enzym- cofaktoren oder Inhibitoren, Lektinen und Kohlehydraten.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die zu untersuchenden Proben beispielsweise wässrige Lösungen, wie insbesondere Pufferlösungen, natürlich vorkommende Körperflüssigkeiten wie Blut, Serum, Plasma, Lymphe oder Urin oder Eigelb oder optisch trübe Flüssigkeiten oder Gewebeflüssigkeiten oder Oberflächenwas- ser oder Boden- oder Pflanzenextrakte oder Bio- oder Syntheseprozessbrühen sind oder aus biologischen Gewebeteilen oder aus Zellkulturen oder -extrakten entnommen sind.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung einer Komponente aus der Gruppe von Komponenten, welche gebildet wird von einer erfindungsgemassen Wellenleiterplatte, einer erfindungsgemassen Sensorplattform sowie einer erfindungsgemassen Anordnung von Probenbehältnissen jeweils nach einer der genannten Ausführangsfor- men, und / oder die Verwendung eines erfindungsgemassen optischen Systems und / oder eines erfindungsgemassen Nachweisverfahrens zu quantitativen oder qualitativen Analy- sen zur Bestimmung chemischer, biochemischer oder biologischer Analyten in Screening- verfahren in der Pharmaforschung, der Kombinatorischen Chemie, der Klinischen und Präklinischen Entwicklung, zu Echtzeitbindungsstudien und zur Bestimmung kinetischer Parameter im Affinitätsscreening und in der Forschung, zu qualitativen und quantitativen Analytbestimmungen, insbesondere für die DNA- und RNA- Analytik, für die Erstellung von Toxizitätsstudien sowie für die Bestimmung von Gen- oder Protein-Expressionsprofilen sowie zum Nachweis von Antikörpern, Antigenen, Pathogenen oder Bakterien in der pharmazeutischen Protduktentwicklung und -forschung, der Human- und Veterinärdiagnostik, der Agrochemischen Produktentwicklung und -forschung, der symptomatischen und präsymptomatischen Pflanzendiagnostik, zur Patientenstratifikation in der pharmazeutischen Produktentwicklung und für die therapeutische Medikamentenauswahl, zum Nachweis von Pathogenen, Schadstoffen und Erregern, insbesondere von Salmonellen, Prionen, Viren und Bakterien, in der Lebensmittel- und Umweltanalytik.
Beispiele
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine Aufsicht auf eine erfindungsgemässe Wellenleiterplatte mit gestrichelt angedeutetem Aufsatz, der sie zu einer Anordnung von Probenbehältnissen, in diesem Beispiel entsprechend dem Raster der Grundflächengeometrie von industriellen Standardplatten, ergänzt, Fig. 2 einen Schnitt längs LL-LL in Fig. 1 und
Fig. 3 schematisch den Einsatz des an die Wellenleiterplatte oder Sensorplattform angrenzenden Teils einer Anordnung von Probenbehältnissen mit einer erfindungsgemassen Wellenleiterplatte oder darauf basierenden Sensorplattform als einer Begrenzungsfläche.
Beispiel 1; Design einer erfindungsgemassen Wellenleiterplatte und damit erzeugbare mögliche Anordnung von Probenbehältnissen
Die erfindungsgemässe Wellenleiterplatte besteht (Fig. 1, 2, die Darstellungen sind schematisch und nicht massstäblich) aus einem Glassubstrat 1, z. B. aus AF 45 der Schott DESAG mit Abmessungen von 102 mm x 72 mm und einer Dicke von 0,7 mm, das einseitig eine Wellenleiterschicht 2 aus Ta2O5 von 150 nm Dicke trägt. Ihr Brechungsindex beträgt bei einer Wellenlänge von 633 nm, in Abhängigkeit vom Herstellungsverfahren, beispielsweise 2,11. Als Material für die Wellenleiterschicht kommen neben Ta2O5 auch andere Substanzen in Frage, insbesondere Nb O5, TiO , ZrO2, Al O3, SiO2- TiO2, HfO2, Y2O3, SiOxNy, Si3N4, HfOxNy, AlOxNy, TiOxNy, MgF2 oder CaF2.
Auf der die Wellenleiterschicht 2 tragenden Oberfläche sind mehrere parallele, voneinander beabstandete Koppelgitterstreifen 3 angelegt, welche sich linienparallel jeweils über die ganze Breite der Wellenleiterplatte erstrecken. Die Breite jedes der Koppelgitter- streifen 3 beträgt 0,5 mm. Die Gitterperiode beträgt Λ = 360 nm, das Nut-Steg- Verhältnis ist ca. 1:1, die Gittertiefe ca. 20 nm. Die das Gitter definierenden Parameter sind jeweils über die ganze Länge des Koppelgitterstreifens sehr genau eingehalten. Dadurch halten sich Änderungen des Koppelwinkels Θ, unter dem ein von unten durch das Glassubstrat 1 gegen den Koppelgitterstreifen 3 gerichteter Lichtstrahl, insbesondere einer Wellenlän-ge von ca. 633 nm, mit maximaler Koppeleffizienz in die Wellenleiterschicht 2 eingekoppelt wird, in sehr engen Grenzen. Längs den Linien eines Koppelgitterstreifens 3 ändert er sich höchstens um 0,057cm. Auf der gesamten Wellenleiterplatte bleibt die Abweichung des Koppelwinkels Θ von einem Mittelwert (im beschriebenen Fall 2,31°), unter 0,15°. Wie in Fig. 3 dargestellt und in Fig. 1 angedeutet, wird die Wellenleiterplatte für den Einsatz zur chemischen Analyse insbesondere biologischer Substanzen durch einen wabenartigen Aufsatz 4, beispielsweise aus Kunststoff, zu einer Anordnung von Probenbehältnissen, beispielsweise mit den Grundabmessungen einer industriellen Standardplatte, ergänzt.
Soll der Inhalt einer Kavität 8 auf die Konzentration bestimmter Moleküle untersucht werden, so wird in an sich bekannter Weise ein benachbarter Koppelgitterstreifen 3 der Wellenleiterplatte 2 mittels einer geeigneten Lichtquelle unter dem Koppelwinkel Θ mit Licht einer bestimmten Wellenlänge, im Beispiel mittels eines He-Ne-Lasers mit Licht von 633 nm Wellenlänge, belichtet. Das durch die Wellenleiterschicht 2, welche den Boden der Kavität 8 bildet, in diesem die Allgemeinheit der Erfindung nicht beschränkenden Beispiel zum benachbarten Koppelgitterstreifen 3' geleitete und dort wieder ausgekoppelte Licht regt Moleküle in der Kavität 8 zu Fluoreszenz an, welche von einer Optik 9 registriert und dann analysiert wird. Die hohe Genauigkeit, mit der der Koppelwinkel Θ über die Länge des Koppelgitterstreifens 3 eingehalten wird, erlaubt eine gleichzeitige Untersuchung der längs desselben angeordneten Kavitäten mit hoher Effizienz. Da der Koppelwinkel Θ über die gesamte Wellenleiterplatte 2 nur wenig vom Mittelwert abweicht, ist jedoch auch für die Untersuchung der nächsten Reihe von Kavitäten 8 keine aufwendige Optimierung desselben erforderlich.
Beispiel 2: Charakterisierung einer erfindungsgemassen Wellenleiterplatte
Untersucht wird eine erfindungsgemässe Wellenleiterplatte gemäss Beispiel 1 (Wellenleiterschicht aus Ta O5; Brechungsindex n = 2.11 bei 633 nm). Die Wellenleiterplatte ist vorgesehen als Grundplatte für eine Anordnung von 96 Probenbehältnissen (ausgebildet als Durchflusszellen) in einer Geometrie entsprechend Figur 1 (8 Reihen x 12 Spalten von Probenbehältnissen). Zur Charakterisierung der physikalischen Eigenschaften der Wellenleiterplatte sollen die folgenden Parameter erfasst werden: (a) Koppelwinkel und (b) Halbwertsbreite dieses Resonanzwinkels für maximale Einkopplung, (c) laterale Position („x-Position") für optimale Einkopplung auf einem Koppelgitterstreifen und (d) dessen Halbwertsbreite, (e) Einkoppeleffizienz, (f) Anzahl und Grosse der Streuzentren pro Flächeneinheit des Bereichs eines Probenbehältnisses, Analyse des (g) Anregungslichtprofils für die Bereiche der Probenbehältnisse, (h) Lumineszenzuntergrund bei der Wellenlänge der Lumineszenzmessung für eine später durchzuführende Analytbestimmung.
Der Abstand zur Anregungslichteinstrahlung und Erfassung des Messlichts von Messpositionen für Probenbehältnisse in benachbarten Reihen und Spalten beträgt in diesem Beispiel jeweils 9 mm.
Optisches System zur Charakterisierung
Das optische System zur Bestimmung der genannten Parameter zur Charakterisierung einer Wellenleiterplatte umfasst drei Laser bzw. Laserdioden als alternative Anregungslichtquellen, mit Emission bei 635 nm, 532 nm und 492 nm. Das Anregungslicht der verschiedenen Laser wird über ein System von Linsen und Blenden (zur Strahlformung) sowie Spiegeln jeweils auf die Koppelgitter der Wellenleiterplatte geleitet. Der letzte Spie- gel im Strahlengang vor dem Auftreffen des Lichts auf der Wellenleiterplatte ist auf einem Goniometer (Auflösung in diesem Beispiel 0.01°) montiert, um eine genaue Einstellung des Koppelwinkels oder die Umlenkung des Anregungslichts zur Bestimmung der gesamten auf die Wellenleiterplatte eingestrahlten Anregungsintensität (In) sowie der Summe (Ir) aus reflektiertem und parallel dazu wieder ausgekoppeltem Licht zu ermögli- chen. Die Justierung der lateralen Position der Einstrahlung des Anregungslichts auf die Wellenleiterplatte (x: senkrecht zu den Koppelgitterstreifen, y: parallel zu den Koppelgitterstreifen) erfolgt durch Verschiebung der Wellenleiterplatte mithilfe von Translationselementen (Auflösung in diesem Beispiel ca. 20 μm).
Die Justierung für maximale Einkopplung erfolgt mittels Maximierung des von einer Photodiode (mit nachgeschaltetem Verstärker) erfassten Signals des, in Ausbreitungsrichtung des in die Wellenleiterschicht eingekoppelten Lichts, am nachfolgenden Koppelgitter ausgekoppelten Lichts. Bei der Optimierung in einem vom Benutzer definierbaren Justierbereich mit ebenfalls variabler, definierbarer Auflösung werden, in Abhängigkeit vom Einkoppelwinkel (als Winkel zur Flächennormalen der Wellenleiterplatte) und zur Position (in x-Richtung) des Anregungslichtspots auf einem Koppelgitter, die von der Photodiode erfassten Intensitäten des ausgekoppelten Lichts (Iout) gemessen. Aus diesen Intensitätsprofilen werden dann die Optimalwerte für maximale Einkopplung sowie die Halbwertsbreiten dieser Koppelkurven (Resonanzkurven) bestimmt.
Zur Bestimmung der relativen Einkoppeleffizienz (e) werden, mit geeichten Photodioden mit nachgeschalteten Verstärkern, die Intensitäten des durch die Wellenleiterplatte ungebeugt hindurchtretenden, transmittierten Lichts (Itr) sowie des eingestrahlten Anregungslichts (Io) sowie der Summe aus reflektiertem und parallel dazu (d.h. vom reflektiertem Licht nicht unterscheidbar) am Einkoppelgitter wieder ausgekoppeltem Licht (Ir), erfasst. Die Einkoppeleffizienz ergibt sich dann aus dem Quotienten (Io-Itr-Ir)/Io-
Zur Bestimmung der übrigen Charakterisierungsparameter (f) bis (h) wird das von dem zu untersuchenden Bereich der Wellenleiterplatte abgestrahlte Licht mit einem Abbildungssystem (Kombination von Objektiven) auf einen ortsauflösenden Detektor, z. B. eine Kamera oder einen CCD-Chip, abgebildet. Zur Bestimmung der Parameter (f) und (g) erfolgt die Messung ebenfalls bei der jeweiligen Anregungswellenlänge (d.h. gegebenenfalls unter Verwendung eines Neutralfilters zur Intensitätsabschwächung, aber ohne spektral selektiven Filter), während die Bestimmung des Lumineszenzuntergrunds (h) unter Verwendung eines entsprechenden Interferenzfilters erfolgt, montiert in einem im Strahlengang zur Erfassung dieses Messlichts drehbaren Filterrad.
Zur Bestimmung der (f) Anzahl und Grosse der Streuzentren wird aus der Aufnahme (bei der Anregungswellenlänge) zunächst ein Durchschnittswert der Signalintensität (aller Pixel) des gesamten zu untersuchenden Bereichs bestimmt. Dabei ist zu beachten, dass bei dieser Durchschnittsbildung der Bereich des Koppelgitters oder unmittelbar daran angrenzender Bereiche nicht erfasst wird und selbstverständlich keine Reflexionen auf dem Detektor auftreffen. Dann wird eine Schwellwertintensität definiert, welcher deutlich oberhalb des Grenzbereichs des Rauschens dieses Durchschnittssignals liegt (vom Benutzer festlegbar, z.B. Durchschnittssignal + dessen 10-fache Standardabweichung). Alle Pixelsignale oberhalb dieses Schwellwertes werden eingestuft als bedingt durch Streuzentren, und es wird eine Tabelle erstellt, wieviele dieser Pixel in einem (zweidimensionalen) zusammenhängenden Bereich Signale oberhalb des Schwellwertes (Grosse der Streuzentren) liefern. Die vollständige Streuzentrenanalyse ergibt sich dann in Form eines „Histogramms" mit der Anzahl der Streuzentren als Funktion von deren Grosse.
Zur (g) Bestimmung des Anregungslichtsprofils eines zu untersuchenden Bereichs auf der Wellenleiterplatte werden Linienprofile der gemessenen Pixelwerte für streifenförmige Bildausschnitte von entsprechenden Bereiche (in y-Richtung, parallel zu den Gitterlinien) der Wellenleiterplatte erstellt. Aus diesen Linienprofilen kann bestimmt werden, ob beispielsweise aufgrund von Defekten der Koppelgitter an bestimmten Stellen (in y-Richtung) keine oder verminderte Lichteinkopplung auftritt oder ob (aufgrund von weiter in x- Richtung lokalisierten Defekten) die Ausbreitung des eingekoppelten, geführten Lichts unterbrochen oder beeinträchtigt wird. Es können Schwellwerte für die Homogenität (in y-Richtung, z. B. Ausmass des Rauschens oder prozentuale Abweichung vom gemessenen Durchschnittswert) der gemessenen Intensitäten definiert werden, bei deren Überschreiten eine Wellenleiterplatte verworfen wird.
Der Lumineszenzuntergrund wird, wie erwähnt, unter Verwendung eines geeigneten spektralen Filters für die jeweils relevante Lumineszenzwellenlänge bestimmt. Es können sowohl lokale, lumineszente Kontaminationen bestimmt werden, beispielsweise in einer zur Streuzentrenanalyse analogen Weise, als auch gesamthaft (als Integral) aller für die Analyse relevanten Pixelwerte Lumineszenzintensitäten für den zu untersuchenden Gesamtbereich bestimmt werden. Zum empirischen Vergleich mit den gemessenen Lumi- neszenzintensitäten vergleichbarer Wellenleiterplatten werden die gemessenen Werte vorzugsweise korrigiert bzw. referenziert mit der verfügbaren Anregungslichtintensität. Ebenso wie für alle vorangehend genannten Parameter können auch hier Schwellwerte definiert werden, bei deren Über- oder Unterschreiten eine Wellenleiterplatte zu verwerfen ist.
Vorzugsweise erfolgen alle beschriebenen Schritte der Charakterisierung der Wellenleiterplatte vollständig automatisiert / computergesteuert, besonders bevorzugt mit einem automatisch erstellten Protokoll, welches beispielsweise Tabellen der bestimmten Parameter und gegebenenfalls entsprechende graphische Darstellungen umfasst. Auch die Einstufung der untersuchten Wellenleiterplatten und deren Ablage nach verschiedenen, vom Benutzer definierbaren Kategorien erfolgt vorzugsweise in automatisierter Form. Ergebnisse
Als Beispiel für ein Teilergebnis der Charakterisierung einer erfindungsgemassen Wellenleiterplatte sind in der nachfolgenden Tabelle die Mittelwerte der ermittelten Koppelwinkel bei 635 nm und 532 nm Anregungslicht, jeweils längs eines Koppelgitter- Streifens (Spalte; 8 Messpunkte), sowie die maximalen Abweichungen ( Δmax_, Δmax+) jeweils entlang eines Koppelgitterstreifens („Spalte"; Abstand zwischen dem ersten und letzten Messpunkt einer Spalte: 63 mm) zusammengestellt.
Auf allen Koppelgitterstreifen (Spalten, siehe Tabelle 1) beträgt die Änderung des Koppelwinkels für beide Anregungswellenlängen jeweils weniger als 0.17cm, auf der gesamten Wellenleiterplatte die Abweichung vom Mittelswert weniger als 0.5°.
Tabelle 1: Durchschnittliche Koppelwinkel auf benachbarten Koppelgitterstreifen („Spalten") und maximale positive und negative Abweichung der Koppelwinkel innerhalb eines Koppelgitterstreifens. Letzte Reihe: Durchschnittswerte und maximale Abweichungen auf der gesamten
Wellenleiterplatte. Bezugszeichenliste
Glassubstrat
Wellenleiterschicht
Koppelgitterstreifen
Aufsatz
Deckplatte
Öffnung
Rohrabschnitt
Kavität
Optik

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Wellenleiterplatte mit einem plattenförmigen Glassubstrat (1), welches eine
Wellenleiterschicht (2) trägt, mit, auf der die Wellenleiterschicht (2) tragenden Oberfläche, mindestens einem Koppelgitter, welches als Liniengitter mit einer Periode zwischen 150 nm und l'OOO nm ausgebildet ist, dessen Ausdehnung linienparallel mindestens 5 cm beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Koppelwinkel (Θ) entlang der Linie um höchstens 0,17cm ändert und der Absolutbetrag der Abweichung des Koppelwinkels (Θ) von einem Sollwert auf der Wellenleiterplatte 0,5° nicht überschreitet.
2. Wellenleiterplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Ausdehnung des Koppelgitters entlang der Linie mindestens 1 cm beträgt.
3. Wellenleiterplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Koppelwinkel (Θ) entlang der Linie um höchstens 0,057cm ändert.
4. Wellenleiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Absolutbetrag der Abweichung des Koppelwinkels (Θ) von seinem
Mittelwert auf der Wellenleiterplatte 0,3°, vorzugsweise 0,15° nicht überschreitet.
5. Wellenleiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex der Wellenleiterschicht (2) zwischen 1,65 und 2,80 liegt.
6. Wellenleiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenleiterschicht (2) aus Ta2O5, Nb2O5, TiO2, ZrO2, Al2O3, SiO2-TiO2,
HfO2, Y2O3, SiOxNy, Si3N4, HfOxNy, AlOxNy, TiOxNy, MgF2 oder CaF2 besteht.
7. Wellenleiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Wellenleiterschicht (2) zwischen 50 nm und 200 nm beträgt.
8. Wellenleiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Nut-Steg- Verhältnis des mindestens einen Koppelgitters zwischen 0,3:1 und 3:1, vorzugsweise zwischen 0,7:1 und 1,5:1 liegt.
9. Wellenleiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gittertiefe des mindestens einen Koppelgitters zwischen 5 nm und 75 nm liegt.
10. Wellenleiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Koppelgitter nur einen Teil der Oberfläche der Wellenleiterplatte bedeckt, während ein verbleibender Teil frei bleibt.
11. Wellenleiterplatte nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens ein Koppelgitter aufweist, das als Koppelgitterstreifen (3) ausgebildet ist, der sich linienparallel im wesentlichen über die ganze Breite oder Länge der Wellenleiterplatte erstreckt.
12. Wellenleiterplatte nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Koppelgitterstreifen (3) mit Abstand parallel zueinander angeordnet sind.
13. Wellenleiterplatte nach einem der Ansprüche 1 - 11, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Koppelgitter nicht parallel, beispielsweise senkrecht zueinander angeordnet sind.
14. Wellenleiterplatte nach einem der Ansprüche 1 - 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Koppelgitter einander überlagert sind.
15. Wellenleiterplatte nach einem der Ansprüche 1 - 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Koppelgitter multidiffraktiv sind.
16. Wellenleiterplatte nach einem der Ansprüche 1 - 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Koppelgitter im wesentlichen die ganze Oberfläche der Wellenleiterplatte bedeckt.
17. Wellenleiterplatte nach einem der Ansprüche 1 - 16, dadurch gekennzeichnet, dass darauf angeordnete Koppelgitter der Einkopplung von Anregungslicht von ein oder mehreren Lichtquellen in die Wellenleiterschicht (2) und / oder der Auskopplung von in der Wellenleiterschicht (2) geführtem Licht dienen.
18. Sensorplattform mit einer Wellenleiterplatte nach einem der Ansprüche 1 - 17, dadurch gekennzeichnet, dass direkt auf der Wellenleiterschicht (2) oder auf einer zusätzlich auf der Wellenleiterschicht (2) aufgebrachten Haftvermittlungsschicht biologische oder biochemische oder synthetische Erkennungselemente zur spezifischen Erkennung und / oder Bindung eines oder mehrerer Analyten und / oder zur spezifischen Wechselwirkung mit besagten Analyten immobilisiert sind.
19. Sensorplattform nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl gleicher oder unterschiedlicher, biologischer oder biochemischer oder synthetischer Erkennungselemente in mindestens einem Array diskreter Messbereiche direkt auf der Wellenleiterschicht (2) oder auf einer zusätzlich auf der Wellenleiterschicht (2) aufgebrachten Haftvermittlungsschicht immobilisiert ist.
20. Sensorplattform nach einem der Ansprüche 18 - 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzlich auf der Wellenleiterschicht (2) aufgebrachte Haftvermittlungsschicht eine Dicke von weniger als 200 nm, besonders bevorzugt von weniger als 20 nm hat.
21. Sensorplattform nach einem der Ansprüche 18 - 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzlich auf der Wellenleiterschicht (2) aufgebrachte Haftvermittlungsschicht vorzugsweise eine chemische Verbindung aus den Gruppen umfasst, die Silane, funktionalisierte Silane, Epoxide, funktionalisierte, geladene oder polare Polymere und "selbstorganisierte passive oder funktionalisierte Mono- oder Mehrfachschichten" umfassen.
22. Sensorplattform nach einem der Ansprüche 18 - 21, dadurch gekennzeichnet, dass als besagte biologische oder biochemische oder synthetische Erkennungselemente direkt auf der Wellenleiterschicht (2) oder oder auf einer zusätzlich auf der Wellenleiterschicht (2) aufgebrachten Haftvermittlungsschicht Komponenten aus der Gruppe immobilisiert sind, die von Nukleinsäuren (beispielsweise DNA, RNA, Oligonukleotiden) und Nukleinsäureanalogen (z. B. PNA), Proteinen, insbesondere mono- oder polyklonalen Antikörpern, Peptiden, Enzymen, Aptameren, synthetischen Peptidstrukturen, löslichen, membrangebundenen und aus einer Mem- bran isolierten Proteinen, wie beispielsweise Membranrezeptoren, deren Liganden,
Antigenen für Antikörper, "Histidin-Tag-Komponenten" und deren Komplexbildungspartnern, durch chemische Synthese erzeugten Aus-höhlungen zur Aufnahme molekularer Imprints, etc. gebildet wird, oder dass als biologische oder biochemische oder synthetische Erkennungselemente ganze Zellen, Zellbestandteile, Zellmembranen oder deren Fragmente immobilisiert sind.
23. Sensorplattform nach einem der Ansprüche 18 - 22, dadurch gekennzeichnet, dass Bereiche zwischen den immobilisierten biologischen oder biochemischen oder synthetischen Erkennungselementen auf der Wellenleiterschicht (2) oder oder auf einer zusätzlich auf der Wellenleiterschicht (2) aufgebrachten Haftvermittlungs- schicht oder / und zwischen den räumlich getrennten Messbereichen, zur Minimierung unspezifischer Bindung von Analyten oder deren Nachweissubstanzen, "passiviert sind", indem hierzu in den besagten Zwischenbereichen gegenüber dem Analyten "chemisch neutrale" Verbindungen aufgebracht sind, vorzugsweise beispielsweise bestehend aus den Gruppen, die von Albuminen, insbesondere Rinderserumalbumin oder Humanserumalbumin, Casein, unspezifischen, polyklonalen oder monoklonalen, artfremden oder empirisch für den oder die nachzuweisenden Analyten unspezifischen Antikörpern (insbesondere für Immuno- assays), Detergentien - wie beispielsweise Tween 20 -, synthetischen und natürlichen Lipiden, nicht mit zu analysierenden Polynukleotiden hybridisierender, frag- mentierter natürlicher oder synthetischer DNA, wie beispielsweise ein Extrakt von
Herings- oder Lachssperma (insbesondere für Polynukleotid-Hybridisierungs- assays), oder auch hydrophilen Polymeren, wie beispielsweise Polyethylen- glycolen oder Dextranen, gebildet werden.
24. Anordnung von ein oder mehr Probenbehältnissen, umfassend eine Wellenleiter- platte nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder eine Sensorplattform nach einem der Ansprüche 13 bis 23 als Grundplatte und einen damit derart zusammenge- brachten Körper, dass zwischen der Grundplatte und besagtem Körper eine oder mehrere räumliche Aussparungen zur Erzeugung einer oder mehrerer gegeneinander fluidisch abgedichteter Flusszellen mit jeweils mindestens einem Zulauf und mindestens einem Ablauf erzeugt werden.
25. Anordnung von Probenbehältnissen, gemäss Anspruch 24, in einem ein- oder zweidimensionalen Array, umfassend eine Wellenleiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder eine Sensorplattform nach einem der Ansprüche 13 bis 23 als Grundplatte und einen damit derart zusammengebrachten Körper, dass zwischen der Grundplatte und besagtem Körper ein Array von räumlichen Aussparungen zur Erzeugung eines Arrays von gegeneinander fluidisch abgedichteten Flusszellen mit jeweils mindestens einem Zulauf und mindestens einem Ablauf erzeugt wird.
26. Anordnung von Probenbehältnissen nach einem der Ansprüche 24 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Wellenleiterplatte oder der Sensorplattform als Grundplatte räumliche Strukturen im Raster des Arrays der zu erzeugenden Flusszellen ausgebildet sind.
27. Anordnung von Probenbehältnissen nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der räumlichen Aussparungen zwischen der Wellenleiterplatte oder der Sensorplattform als Grundplatte und dem damit zusammengebrachten Körper Ausnehmungen in besagtem Körper ausgebildet sind.
28. Anordnung von Probenbehältnissen nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Raster (Aufeinanderfolge in Zeilen und / oder Spalten) der Zuläufe der Flusszellen dem Raster der Wells einer industriellen Standardplatte entspricht.
29. Anordnung von Probenbehältnissen nach einem der Ansprüche 24 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialien des mit der Wellenleiterplatte oder der Sensorplattform als Grundplatte zusammengebrachten Körpers sowie eines optionalen zusätzlichen Abschlusses ausgewählt sind aus der Gruppe von form-, spritz- oder fräsbaren Kunststoffen, Metallen, Silikaten, wie zum Beispiel Glas, Quarz oder Keramiken.
30. Verfahren zum gleichzeitigen qualitativen und / oder quantitativen Nachweis einer 5 Vielzahl von Analyten mit einer Komponente aus der Gruppe von Komponenten, welche gebildet wird von einer Wellenleiterplatte nach einem der Ansprüche 1 - 17 oder einer Sensorplattform nach einem der Ansprüche 18 bis 23 oder einer Anordnung von Probenbehältnissen nach einem der Ansprüche 24 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere auf besagte Analyten zu untersuchende
10 flüssige Proben mit den Messbereichen auf einer der besagten Komponenten in
Kontakt gebracht werden, Anregungslicht zu den Messbereichen eingestrahlt wird und mindestens ein Lichtanteil von (A) und (B), (A) von den besagten Messbereichen ausgehendem Licht und (B) gegebenenfalls einer oder mehrerer im Nahfeld der Wellenleiterschicht (2) erzeugter Lumineszenzen aus den mit besagter
15 Probe oder besagten Proben in Kontakt gebrachten Messbereichen, als Folge der
Bindung eines oder mehrerer Analyten an die in besagten Messbereichen immobilisierten biologischen oder biochemischen oder synthetischen Erkennungselemente oder der Wechselwirkung zwischen besagten Analyten und besagten immobilisierten Erkennungselementen, gemessen wird.
20
31. Verfahren nach Ansprach 30, dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungslicht im wesentlichen parallel eingestrahlt wird und im wesentlichen monochromatisch ist.
25 32. Verfahren nach Ansprach 31 , dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungslicht linear polarisiert eingestrahlt wird, zur Anregung eines in der Wellenleiterschicht (2) geführten TE0- oder TM0-Modes.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 - 32, dadurch gekennzeichnet, dass das 30 Anregungslicht von mindestens einer Lichtquelle mit einer Aufweitungsoptik möglichst homogen zu einem im wesentlichen parallelen Strahlenbündel aufgeweitet wird und zu dem einen oder den mehreren Messbereichen eingestrahlt wird.
34. Verfahren nach Ansprach 33, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des eingestrahlten Anregungslichtbündels mindestens in einer Dimension mindestens 2 mm, bevorzugt mindestens 10 mm beträgt.
35. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 - 32, dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungslicht von der mindestens einen Lichtquelle durch ein oder, im Falle mehrerer Lichtquellen, gegebenenfalls mehrere diffraktive optische Elemente, vorzugsweise Dammann-Gitter, oder refraktive optische Elemente, vorzugsweise Mikrolinsen-Arrays, in eine Vielzahl von Einzelstrahlen möglichst gleicher Intensität der von einer gemeinsamen Lichtquelle stammenden Teilstrahlen zerlegt wird, welche jeweils im wesentlichen parallel zueinander zu räumlich getrennten Messbereichen eingestrahlt werden.
36. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 - 35, dadurch gekennzeichnet, dass als Anregungslichtquellen zwei oder mehr kohärente Lichtquellen mit gleicher oder unterschiedlicher Emissionswellenlänge verwendet werden.
37. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 - 36, dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungslicht zu den Messbereichen über ein oder mehrere_Koppelgitter in die Wellenleiterschicht (2) eingekoppelt wird.
38. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass (a) die isotrop abgestrahlte Lumineszenz oder (b) in die Wellenleiterschicht (2) eingekoppelte und über Koppelgitter ausgekoppelte Lumineszenz oder Lumineszenzen beider Anteile (a) und (b) gleichzeitig gemessen werden.
39. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Lumineszenz ein Lumineszenzfarbstoff oder lumineszentes Nano- partikel als Lumineszenzlabel verwendet wird, das bei einer Wellenlänge zwischen 300 nm und 1100 nm angeregt werden kann und emittiert.
40. Verfahren nach Ansprach 39, dadurch gekennzeichnet, dass das Lumineszenzlabel an den Analyten oder in einem kompetitiven Assay an einen Analogen des Analyten oder in einem mehrstufigen Assay an einen der Bindungspartner der immobilisierten biologischen oder biochemischen oder synthetischen Erkennungselementen oder an die biologischen oder biochemischen oder synthetischen Erkennungselemente gebunden ist.
41. Verfahren nach einem der Ansprüche 39 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites oder noch weitere Lumineszenzlabel mit gleicher oder unterschiedlicher Anregungswellenlänge wie das erste Lumineszenzlabel und gleicher oder unterschiedlicher Emissionswellenlänge verwendet werden.
42. Verfahren nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, dass zum Nachweis des Analyten Ladungs- oder optischer Energietransfer von einem als Donor dienenden ersten Lumineszenzlabel zu einem als Akzeptor dienenden zweiten Lumineszenzlabel verwendet wird.
43. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 42, dadurch gekennzeichnet, dass die einen oder mehreren Lumineszenzen und / oder Bestimmungen von Lichtsignalen bei der Anregungswellenlänge polarisationsselektiv vorgenommen werden, wobei vorzugsweise die einen oder mehreren Lumineszenzen bei einer anderen Polarisation als der des Anregungslichts gemessen werden.
44. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass neben der Bestimmung einer oder mehrerer Lumineszenzen Änderungen des effektiven Brechungsindex auf den Messbereichen bestimmt werden.
45. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 44 zur gleichzeitigen oder sequentiellen, quantitativen oder / und qualitativen Bestimmung eines oder mehrerer Analyten aus der Gruppe, welche Antikörper oder Antigene, Rezeptoren oder Liganden, Chelatoren oder "Histidin-tag-Komponenten", Oligonukleotide, DNA- oder RNA-Stränge, DNA- oder RNA- Analoga, Enzyme, Enzymcofaktoren oder
Inhibitoren, Lektine und Kohlehydrate umfasst.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 45, dadurch gekennzeichnet, dass die zu untersuchenden Proben beispielsweise wässrige Lösungen, wie insbesondere Pufferlösungen, natürlich vorkommende Körperflüssigkeiten wie Blut, Serum, Plasma, Lymphe oder Urin oder Eigelb oder optisch trübe Flüssigkeiten oder Gewebeflüssigkeiten oder Oberflächenwasser oder Boden- oder Pflanzenextrakte oder Bio- oder Syntheseprozessbrühen sind oder aus biologischen Gewebeteilen oder aus Zellkulturen oder -extrakten entnommen sind.
47. Verwendung einer Komponente aus der Gruppe von Komponenten, welche gebildet wird von einer Wellenleiterplatte nach einem der Ansprüche 1 - 17, einer
Sensorplattform nach einem der Ansprüche 18 bis 23, einer Anordnung von Probenbehältnissen nach einem der Ansprüche 24 bis 29, und / oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 30 bis 46 zu quantitativen und / oder qualitativen Analysen zur Bestimmung chemischer, biochemischer oder biologischer Analyten in Screeningverfahren in der Pharmaforschung, der
Kombinatorischen Chemie, der Klinischen und Präklinischen Entwicklung, zu Echtzeitbindungsstudien und zur Bestimmung kinetischer Parameter im Affinitätsscreening und in der Forschung, zu qualitativen und quantitativen Analytbestimmungen, insbesondere für die DNA- und RNA- Analytik, für die Erstellung von Toxizitätsstudien sowie für die Bestimmung von Gen- oder
Protein-Expressionsprofilen sowie zum Nachweis von Antikörpern, Antigenen, Pathogenen oder Bakterien in der pharmazeutischen Protduktentwicklung und - forschung, der Human- und Veterinärdiagnostik, der Agrochemischen Produktentwicklung und -forschung, der symptomatischen und präsymptomatischen Pflanzendiagnostik, zur Patientenstratifikation in der pharmazeutischen Produktentwicklung und für die therapeutische Medikamentenauswahl, zum Nachweis von Pathogenen, Schadstoffen und Erregern, insbesondere von Salmonellen, Prionen, Viren und Bakterien, in der Lebensmittel- und Umweltanalytik.
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