WO2004057315A1 - Methode zur erzeugung elektromagnetischer feldverteilungen - Google Patents

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WO2004057315A1
WO2004057315A1 PCT/CH2003/000811 CH0300811W WO2004057315A1 WO 2004057315 A1 WO2004057315 A1 WO 2004057315A1 CH 0300811 W CH0300811 W CH 0300811W WO 2004057315 A1 WO2004057315 A1 WO 2004057315A1
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substrate
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PCT/CH2003/000811
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Heidi THOME-FÖRSTER
Claus Heine-Kempkens
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Unaxis Balzers Ag
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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and a method for generating electromagnetic fields in areas accessible to substances to be exposed.
  • the invention relates to optical sensors for measuring biological or chemical substances.
  • Electromagnetic fields are used in a large number of applications for the detection of small concentrations of substances in a mostly liquid sample.
  • a method can be classified under the label methods in which the substances to be detected are marked with a fluorescent dye.
  • fluorescent dyes are, for example, CY5 for an excitation wavelength of 532nm and CY3 for an excitation wavelength of around 635nm.
  • This marking can be selective, but as a rule it also relates to other substances present in a sample to be measured. If the marking is not selective, then selection can be achieved, for example, by preparing the surface of the sensor in such a way that only the marked substance to be measured is selectively bound to this surface. If the surface is rinsed after the binding is complete, a quantitative statement about the concentration of the substance to be measured in the measurement sample is obtained via the strength of the resulting fluorescence signal. A quantitative statement can also be made without rinsing if one achieves that an electromagnetic field which stimulates the fluorescence is concentrated on the surface to which the substances to be detected are bound and remains essentially limited to these.
  • label-free methods are also common.
  • the substance to be measured has a direct influence on the field distribution in the sensor, for example due to a change in the refractive index that it causes when it is attached to the surface of the sensor. This influence affects optical measurement parameters such as diffraction efficiencies or, if applicable, the guided waves in a waveguide and causes measurable changes.
  • optical measurement parameters such as diffraction efficiencies or, if applicable, the guided waves in a waveguide and causes measurable changes.
  • TIR total internal reflection
  • the surface of the sensor is exposed to excitation light at an angle that is greater than the critical angle of the total reflection. This creates a transversely damped field on the surface, which protrudes exponentially from the substrate into the medium to be measured.
  • such fields are also referred to as evascent fields because here no light propagates into the medium to be measured, but only "protrudes” into it, i.e. the field is limited to the immediate vicinity of the corresponding interface.
  • the so-called penetration depth ie the distance from the interface at which the field strength has dropped to 1 / e (where e is Euler's number), is dependent, inter alia, on the actual angle of incidence and is typically units of the vacuum wavelength of the exciting light and is of the same order of magnitude.
  • the waveguiding layer i.e. the layer in which the light wave is guided has a refractive index which is higher than the refractive indices of the substrate and of the medium adjoining the waveguiding layer. If this is not the case, there is no multiple total reflection and therefore no waveguiding (see for example WO 86/071149).
  • the choice of materials for the waveguiding layer is therefore limited to high-index materials.
  • Another difficulty is the coupling of the light into the waveguide, which can be achieved, among other things, by means of frontal loading, prism coupling or coupling gratings. In all of the above cases it is difficult to get one to realize constant coupling efficiency, which should, however, preferably be achieved for a quantitative statement.
  • the density of the different measuring ranges is limited due to the extension of the waveguide.
  • a further possibility of achieving an excessive evanescent field is the excitation of so-called surface plasmon.
  • These excitation states realized in metallic layers propagate in the layer plane until they decay, for example, through absorption in the metal or through scattering.
  • the control of the evanescent field strength realized in the case by the surface piasmon is a great difficulty.
  • the density of the measuring range is also limited here, since surface plasmon are usually finite
  • the well-known effect of the resonant grating with anomalous transmission drops is used, as described, for example, in WO2001 / 002839 from Novartis (hereinafter referred to as the Novartis application).
  • a layer is applied to the substrate whose refractive index is higher than the refractive index of the substrate. Otherwise the resonant effect will not occur.
  • the measuring field area of the surface is defined by periodic trenches.
  • the dimensioning of the structures and layers is chosen so that when exposed to coherent light at a certain angle, a resonance effect occurs in which the transmission is abnormally reduced and the desired evanescent field is built up in the process.
  • This is associated with the advantage that light does not have to propagate over a long distance in a waveguide mode and the device is therefore significantly less sensitive to interference points and scattering centers.
  • the system is selected to be smaller, and the number of measuring ranges can thus be greatly increased, since the light essentially does not propagate laterally.
  • This advantage of 'potentially increased measuring range density was emphasized above all in WO2000 / 75644 by Zeptosens (hereinafter referred to as the Zeptosens application). Continuous modulations in the measuring range are also implemented in the Zeptosens application, although an optical layer waveguide is still assumed.
  • a further disadvantage is that in these cases a high refractive index layer must be used as a seal against the surrounding medium.
  • Biochemistry based on Si02 surfaces, is the most developed. When using glass substrates, other materials must therefore be used in order to realize the layer that is highly refractive compared to the substrate. For example, Ti0 2 or Ta 2 0 5 is used for this. However, these are compared to SiO. Materials that are less established in connection with biochemistry. There is the possibility of a thin Si0 2 on the high refractive index layer.
  • Field strengths should include. Another aspect of the present invention is the realization of the high, not exclusively evanescent field strengths in layers lying on the surface whose refractive index is not or only slightly higher ( ⁇ 1%) than the refractive index of the. Substrates. It is also a task the present invention to provide a method according to which such a field strength can be achieved.
  • the object is achieved according to the invention by means of a platform for generating an electromagnetic field distribution according to claim 1.
  • Such a platform includes
  • the layer thickness of the structured layer being determined by the maximum structure depth
  • a multilayer system which is provided between the substrate and the structured layer, preferably for at least partially preventing the coupling of electromagnetic fields built up in the structured layer to higher diffraction orders than the zeroth diffraction orders propagating into the substrate, the structured layer, the coupling means and the multilayer system are coordinated with one another in such a way that when the platform is suitably exposed to electromagnetic radiation, the electromagnetic field strength that builds up in the area of the structured layer is at a maximum.
  • An embodiment of the platform is further characterized in that the refractive index or, where appropriate, the effective refractive index of the structured layer is less than 1% higher, but preferably less than the refractive index of the substrate.
  • Another embodiment of the platform is further characterized in that the structure of the structured
  • Layer comprises essentially periodically arranged indentations, which are part of the coupling means.
  • a further embodiment of the platform is further characterized in that the multilayer system is metallic Layers, preferably made of Al, Ag, Au, their combination or other suitable materials.
  • a further embodiment of the platform is characterized in that the layer system comprises dielectric layers and preferably no metallic layers, the layer system preferably being constructed in an alternating layer construction in which high and low refractive layers are arranged alternately.
  • FIG. 1 Further embodiments of the platform are characterized in that the type of structuring, the coupling means, and the number as well as the material and the thickness distribution of the layers of the multilayer system are selected such that the field strength distribution building up when the platform is suitably exposed to electromagnetic radiation has at least a maximum in the areas of the structured layer that are free of layer material.
  • a field distribution platform can be generated which additionally comprises a source for generating electromagnetic radiation and an electromagnetic field, the field strength of which is maximum in the region of the structured layer.
  • the electromagnetic field distribution in the layer-material-free regions of the structured layer has at least a maximum.
  • the platforms and field distribution platforms mentioned above can be part of a sensor for measuring specific substances in a biological and / or chemical and / or biochemical sample.
  • the task of specifying a method according to which an excessive, not exclusively evanescent field distribution can be generated is achieved with the following steps: - selection of a substrate - selection of the material and the structure of a structured layer - Selection of materials for a multi-layer system
  • Simulation and optimization of the electromagnetic field distribution within a platform comprising the substrate, the multilayer system and the structured layer when exposed to electromagnetic radiation in accordance with the defined parameters, the multilayer system being provided between the substrate and the structured layer and optimization goal being a field distribution, which is at most within the structured layer;
  • the aim of optimization is an electromagnetic field distribution that has at least a maximum in the areas of the structured layer that are free of layer material.
  • the object is therefore achieved by a skillful combination of the properties of dielectric multilayer systems and of optical gratings. Both the principle of waveguiding in highly refractive layers and the principle of anomalous reduction in the transmission of resonant gratings are abandoned. In contrast, a dielectric alternating layer system is arranged on the substrate, on which a diffraction grating is provided.
  • Structural structures of this type are known from the literature in applications in which, for example, the efficiency of the diffraction orders is to be set to specific values.
  • Perry et al. in US 5 * 907 ' 436 (hereinafter Perry 436) describes such a structure, the configuration of which is selected such that the proportion of the incident light, the reflection and transmission of the zeroth and the higher diffraction orders by the number of layers, thickness of at least one Layer and depth and shape of the lattice structures is predetermined.
  • such a system is only or additionally optimized in such a way that in the area of the surface structures and in particular in the area of the lattice trenches, the optimized system has a high or even the highest field strength.
  • Such a procedure leads to systems in which, when exposed to the electromagnetic radiation used for the optimization, a field distribution is built up which has maxima in the lattice trenches accessible for the measurement.
  • the multilayer system can be regarded as a means of decoupling the structured layer from the substrate with respect to higher diffraction orders. Coupling and decoupling electromagnetic radiation into or out of the structured layer is then essentially restricted to the zeroth diffraction orders in transmission or reflection. This can lead to the build-up of high electromagnetic fields within the structured layer, in particular also when it comes to diffraction structures with poor diffraction efficiency.
  • Such a field distribution can be achieved in particular with a system whose homogeneous layer on which the grating is arranged and / or whose grating structure can consist of a low-refractive material and in particular of a material whose refractive index is less than or equal to
  • Refractive index of the substrate is. It is therefore also clear that the present effect is based neither on the effect of the waveguide associated with a high refractive index and the associated electromagnetic fields, nor on the effect of the resonant gratings associated with a high refractive index
  • Reflection and / or transmission anomalies can be traced.
  • systems according to the invention which, in contrast to the prior art, essentially prevent reflection, which can be of advantage for the application, as described below.
  • Figure 1 shows schematically a structure according to the prior art according to the Novartis application. In addition, the figure shows the field distribution building up in this structure when exposed to light.
  • FIG. 2 shows the dependence of reflection and transmission as a function of the wavelength associated with FIG. 1.
  • Figure 3 schematically shows an embodiment of a structure according to the present invention.
  • the figure shows the field distribution building up when light is applied.
  • FIG. 4 shows the dependence of the reflection and the transmission as a function of the wavelength associated with the system shown in FIG. 3.
  • the spectra show neither anomalous reflection nor anomalous transmission.
  • FIG. 5 schematically shows a further advantageous embodiment of a structure according to the present invention.
  • FIG. 6 shows the associated dependency of the reflection and the transmission as a function of the wavelength associated with the system shown in FIG. It can be clearly seen that the reflection here drops below 1%.
  • FIG. 7 shows the graph similar to FIG. 6 for the range from 632.8nm to 633.2nm. Here it becomes clear that the reflection can even be completely suppressed at a wavelength of 632.95nm.
  • FIG. 8 shows a measurement setup according to the present invention for the selective detection of measurement substances.
  • FIG. 1 Such a system 97 is shown schematically in FIG.
  • the refractive index of the layer is thus significantly higher than the refractive index of the substrate.
  • the lattice structure of the substrate is transferred to the surface that forms the seal to the surrounding medium, in the following superstrate 113
  • Biological binding molecules 109 such as, for example, in the case of an antibody, are also shown r-antigen reaction find application.
  • This angle corresponds to the resonance angle of the System in which the transmission is abnormally reduced.
  • the application takes place from the superstrate side.
  • the loading takes place in such a way that the lattice webs penetrate this plane of incidence vertically, that is, in the example considered here, the loading is not conical.
  • the TE polarization is characterized in that the electric field vector oscillates in the plane perpendicular to the plane of incidence.
  • dashed lines are additionally drawn in, which represent the lines of the same amplitude square of the field distribution.
  • the corresponding reference numerals 5, 10, 15, and 20 indicate the corresponding values of the amplitude square.
  • a dielectric layer system 17 with 6 layers is applied to this substrate.
  • the layer system ends with an uppermost Si0 2 layer.
  • a periodic lattice structure is applied to this layer.
  • the grating period is 550nm.
  • n * 1, ie air or vacuum or the like.
  • the trenches are therefore freely accessible for measuring substances to be applied and attached.
  • the application takes place from the superstrate side.
  • the loading takes place in such a way that the lattice webs penetrate this plane of incidence vertically, that is to say in the example considered here it is a non-conical incidence.
  • the TE polarization is characterized in that the electric field vector oscillates in the plane perpendicular to the plane of incidence.
  • the system 11 described in the example is shown schematically in FIG.
  • the layer system 17 consisting of 6 layers is applied to the substrate.
  • a grid structure 19 is realized on this layer system 17, which comprises both grid webs 23 and grid trenches 29.
  • the grating period is 550nm.
  • 3 also shows biological binding molecules 31, 31 "*, 31 ⁇ 'on the surface, such as are used, for example, in an antibody-antigen reaction.
  • binding molecules 31 may also be binding molecules 31 that sit on the trench bottom, if necessary such binding molecules le 31 "-, which are attached to the side walls and, if applicable, those binding molecules 31 , ⁇ that sit on the lattice webs.
  • lattice profiles for example sinusoidal or overhanging profiles, are also possible, and coupling elements can be fixed anywhere.
  • dashed lines are also drawn in, which represent the lines of the same amplitude square of the field distribution
  • the corresponding reference numerals 50, 100, 150 and 200 indicate the corresponding values of the amplitude square
  • FIG. 4 shows the dependence of the diffraction efficiencies as a function of the wavelength of the light in the case of the described first example according to the present invention. It can clearly be seen that the reflection does not exceed 70% and the transmission in the zero order does not fall below 2% over the entire wavelength range under consideration. At the wavelength of 633nm considered in the example, there is a reflection of 14% while the zero order transmission is about 25%.
  • the system 211 again comprises a substrate 223, a layer system 227, a grating region 229 with a period of 550 nm, biological coupling elements 233, 233 *, 233 "* 'and a superstrate 239.
  • the type of light applied corresponds to the type of the first
  • the optimization target was the requirement that To keep the reflection correspondingly low while still having a high field strength in the trenches.
  • the system was set up in accordance with the system described in the first example, 16 layers being used here for the optimization and Ta205 layers being used instead of TiO 2 layers.
  • the optimization of the layer thickness resulted in the following system:
  • FIG. 5 shows this system schematically and the associated field distribution in the manner shown in FIGS. 1 and 3.
  • the scale in the direction of the layer planes has been enlarged twice compared to the dimension in the direction of the layer thicknesses.
  • Dashed lines are also shown in FIG. net, the lines represent the same amplitude square of the field distribution.
  • the corresponding reference numerals 250, 500, 750, and 1000 indicate the corresponding values of the amplitude square. As can be seen, a high field strength is realized in the area of the trenches.
  • FIG. 6 indicates the reflection and the transmission as a function of the wavelength. It becomes clear that the reflection does not come close to 100% at any wavelength in the area under consideration. A resonant effect is very likely to be present here, which, however, is obviously different from that described in the prior art (Novartis application).
  • Wavelength range from 632.8nm to 633.2nm is shown. It can be seen that the reflection can even be completely suppressed for a wavelength of 632.95nm.
  • the grating period was not an optimization parameter, since diffraction efficiencies and their direction of propagation also depend on higher diffraction orders. The directions are determined by the grating period. Since these initially play a subordinate role in the present invention, the grating period is a free parameter which can be correspondingly included in the optimization. For this reason it is possible to use the grid, e.g. by scaling so that the minimum reflection is at the desired wavelength (in the example at 633nm). This is particularly advantageous if care must be taken to ensure that no excitation light reaches the detector for fluorescent light by reflection.
  • FIG. 8 schematically shows one possibility of how a measurement setup 307 according to the invention can be designed.
  • the fluorescent-labeled specific substances coupled on the measuring chip 311 are to be measured.
  • the measuring chip 311 is subjected to essentially parallel excitation light LA at a precisely defined angle. This can be achieved, for example, by a bundled light beam being transmitted through a lens 331.
  • the excitation light LA comes from a light source 313 and is transmitted through a selective mirror 317 and through the lens 331 and strikes the surface of the measuring chip 311.
  • a strong electromagnetic field builds up in the grating area, which excites the specific substance to be measured and bound to the surface to fluorescence.
  • Fluorescent light LF then propagates to lens 331. Since the surface is in the focal plane of lens 313, this fluorescent light LF propagates as an essentially parallel light beam to selective mirror 317, which reflects it to a detector 337, which measures the intensity of the fluorescence.
  • Measuring chips 311 illuminated. If a detector line or matrix is used instead of the detector (for example a CCD chip), several areas of the measuring chip can be evaluated at the same time.
  • the substances to be measured are applied to the substrate in a liquid sample. It is important that a small expansion of the drops on the surface can be achieved. It has been shown that the drops tend to diverge, particularly in the case of deep trenches. This is due to the capillary forces acting on the drops through the trenches. In extreme cases, the drops even flow into one another. To counteract this, the trenches can be blocked by flow barriers. These can be, for example, continuous walls that are transverse to the lattice bars. Such walls can be realized by dielectric coating the platform through a mask. Typical sizes for the diameters of individual measuring fields, hereinafter referred to as spot diameters, are currently 80 ⁇ m to 200 ⁇ m.
  • the distance between two walls is at least a factor of three smaller, preferably a factor of five to ten smaller than the spot diameter to be achieved, so that it is guaranteed that two drops actually do not have to share the same partition wall area.
  • the refractive index changes in the measuring substance, so does the refractive index in the area of the trenches.
  • This change directly affects the configuration of the grating and the field strength distribution that builds up in it.
  • This change can be measured using different methods since this has a direct influence on the reflected and / or transmitted diffraction orders (zeroth and also higher orders).
  • spectral and / or angle-dependent measurements ie measurement of one or more diffraction orders as a function of the wavelength, are also possible here.
  • any desired opening width that is less than or equal to the original trench width can be set by means of coating. Particles that are in the measurement substance and have a larger diameter than the channel width will not be able to diffuse into the trench region. This offers the possibility of integrated mechanical filtering. It is possible to build up the tapered channel from an alternating layer system, the material and layer thickness distribution of which can be optimized with regard to optical requirements.
  • WO 86/07149 describes a membrane which prefilters the measurement substances and thus effects a preselection. Such an additional membrane can also be connected upstream in the systems according to the invention.
  • the system is particularly suitable for the analysis of biological processes that have to do with so-called messenger substances.
  • messenger substances For example, in some biological processes, the intrusion of a specific substance on one side of the membrane triggers a specific reaction on the other side of the membrane.
  • This can consist, for example, of messenger substances leaving the membrane and diffusing into the adjacent medium.
  • messenger substances can sometimes cause changes in the pH. Solutions can be prepared in such a way that such a change in pH results in a change in the color of the solution. The color change mostly comes about through a change in the light absorption properties of the solution, and such a change in turn has an influence on the field distribution in the grating area, which can be measured according to the invention according to the previously described examples.
  • a difficulty can be that the layer system located below the grating area interferes with the exposure for producing the grating. In this case, it can be advantageous to switch to an embossing technique, for example a
  • Such an embodiment also allows the possibility, according to the invention, of concentrating the essential portion of the electromagnetic field which is building up in the lattice structure and, among other things, in the lattice trenches accessible to the measurement substances.
  • TE-polarized light was used throughout, the subject matter of the invention also being intended to apply TM-polarized light.
  • Embodiments according to the invention with polarized light or with unpolarized light are conceivable.
  • polarized light or with unpolarized light are conceivable.
  • polarization for example with circular polarization, measurements of the phase shift and in particular the change in the phase shift are possible.
  • the light used for exposure can come from different directions:
  • Two-dimensional lattices ie periodic structures with at least two non-parallel lattice vectors (crossed lattices), in particular those two-dimensional lattices in interesting with regard to polarization effects, whose lattice vectors are perpendicular to each other and / or are equal in terms of amount.
  • Another partial aspect of the invention is the possibility that areas of maximum field strength are accessible to the substances to be measured due to the grid trenches.
  • This inventive aspect can also be achieved by a structured grating region in which one or more of the materials involved has a refractive index which is above the refractive index of the substrate.

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Plattform (11) und ein Verfahren zur Erzeugung elektromagnetischer Feldverteilungen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf optische Sensoren zur Messung biologischer oder chemischer Substanzen. Die erfindungsgemäße Plattform (11) umfasst ein Substrat (13) eine strukturierte Schicht (19) und ein zwischen Substrat (13) und strukturierter Schicht (19) angeordnetem Vielschichtsystem (17), die so aufeinander abgestimmt sind, dass bei geeigneter Beaufschlagung mit elektromagnetischer Strahlung eine elektromagnetische Feldverteilung aufgebaut wird, die in der strukturierten Schicht (19) maximal ist.

Description

Methode zur Erzeugung elektromagnetischer Feldverteilungen
[001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung elektromagnetischer Felder in für zu belichtende Substanzen zugänglichen Bereichen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf optische Sensoren zur Messung biologischer oder chemischer Substanzen.
[002] Elektromagnetische Felder werden in einer Vielzahl von Anwendungen zur Detektion kleiner Konzentrationen von Substanzen in einer meist flüssigen Probe eingesetzt. Unter den optischen Sensoren, die auf Detektion von an der Oberfläche des Sensors angelagerten Substanzen beruhen werden grundsätzlich zwei Klassen unterschieden: Solche die mit markierten Substanzen arbeiten (Label-Methoden) und solche die ohne die' Markierung auskommen (Label-freie Methoden) .
[003] Unter die Label-Methoden läßt sich ein Verfahren einordnen bei dem die zu detektierende Substanzen mit einem fluoreszierenden Farbstoff markiert werden. Handelsüblich Fluoreszenzfarbstoffe sind Beispiesweise CY5 für eine Anregungswellenlänge von 532nm und CY3 für eine Anregungswellenlänge von um die 635nm.
[004] Diese Markierung kann selektiv sein, in der Regel betrifft sie aber auch andere, in einer zu messenden Probe vorhandenen Substanzen. Ist die Markierung nicht selektiv, so kann Selektion dann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass die Oberfläche des Sensors derart präpariert wird, dass ausschließlich die zu messende markierte Substanz selektiv an diese Oberfläche gebunden wird. Wird nach vollzogener Bindung die Oberfläche gespült, so erhält man über die Stärke des resultierenden Fluoreszenzsignals eine quantitative Aussage über die Konzentration der zu messenden Substanz in der Messprobe. Eine quantitative Aussage läßt sich auch ohne Spülung machen wenn man erreicht, dass ein die Fluoreszenz anregendes elektromagnetisches Feld sich an der Oberfläche an die die zu detektierenden Substanzen gebunden werden, konzentriert und im wesentlichen auf diese beschränkt bleibt. [005] Solange nicht sämtliche an der Oberfläche gebundenen markierten Substanzen fluoreszieren gilt allgemein: je höher die sich an der Oberfläche aufbauende elektromagnetische Feldstärke relativ zur eingestrahlten Lichtintensität ist, umso besser kann das Signal zu Rausch Verhältnis (S/N-ratio) der Messung werden. Dies wirkt sich direkt auf die Messempfindlichkeit des Sensors aus. Bei solchen Sensoren wird daher versucht ein möglichst starkes elektromagnetisches Feld im Bereich der Oberfläche im Vergleich zum Messvolumen zu realisieren.
[006] Neben diesen beschriebenen Label-Methoden, d.h. auf Marker basierenden Messmethoden, sind aber auch Label-freie Methoden üblich. Hierbei hat die zu messende Substanz zum Beispiel durch eine Brechungsindex-Änderung die sie bei Anlagerung an die Ober- fläche des Sensors hervorruft, direkten Einfluss auf die Feldverteilung im Sensor. Dieser Einfluss wirkt sich auf optische Messgrößen wie zum Beispiel Beugungseffizienzen oder gegebenenfalls die geführten Wellen in einem Wellenleiter aus und ruft messbare Änderungen hervor. Auch hierbei ist wichtig, dass zu- mindest Teile der der Messsubstanz zugänglichen Bereiche elektromagnetischer Felder aufweisen, das sie beeinflussen können.
[007] Eine Möglichkeit, eine derartige, der Messsubstanz zugängliche, Feldverteilung aufzubauen, ist die Ausnutzung von querge- dämpften elektromagnetischen Wellen. Im einfachsten Fall arbeitet man mit einmaliger totaler interner Reflexion (TIR) . Dabei wird die Oberfläche des Sensors vom Substrat her kommend unter einem Winkel, der grösser als der kritische Winkel der Totalreflexion ist, mit Anregungslicht beaufschlagt. An der Oberfläche entsteht dadurch ein quergedämpftes Feld, das exponentiell abfallend in das zu messende Medium vom Substrat weg hineinragt. In der Fachliteratur bezeichnet man solche Felder auch als eva- neszente Felder da hier kein Licht in das zu messende Medium propagiert sondern lediglich in dieses "hineinragt", d.h. das Feld ist auf die unmittelbare Umgebung der entsprechenden Grenzfläche beschränkt .
[008] Die sogenannte Eindringtiefe, d.h. der Abstand von der Grenzfläche bei dem die Feldstärke auf 1/e, (wobei e die Euler- sehe Zahl ist) abgefallen ist, .ist dabei unter anderem abhängig vom tatsächlichen Einfallswinkel und wird typischerweise in Ein- heiten der Vakuum-Wellenlänge des anregenden Lichtes gemessen und ist in derselben Größenordnung.
[009] Eine Möglichkeit ein solches evaneszentes Feld gegenüber der einfachen Totalreflexion zu überhöhen liegt darin, das Anregungslicht mehrmals an der Grenzfläche reflektieren zu lassen. Wird zum Beispiel eine optische Schicht mit im Vergleich zum Substrat hohem Brechungsindex und bestimmter Dicke auf das Substrat aufgebracht, so kann unter Umständen an beiden Grenzflä- chen der Schicht Totalreflexion stattfinden und das Licht propagiert geführt in der Schicht in einer sogenannten Wellenleitermode. Bei richtig gewählter Wellenleiterkonfiguration hat dies ein überhöhtes evaneszentes Feld an der Oberfläche des Wellenleiters zur Folge.
[010] Wesentlich dabei ist, dass die wellenleitende Schicht, d.h. die Schicht in der die Lichtwelle geführt wird, einen Brechungsindex besitzt, der höher ist als die Brechungsindizes des Substrates und des an die wellenleitende Schicht angrenzenden Mediums. Ist dies nicht der Fall, so kommt es nicht zur mehrfachen Totalreflexion und damit nicht zur Wellenleitung (siehe zum Beispiel WO 86/071149) . Bei gegebenem Substrat ist daher die Auswahl der Materialien für die wellenleitende Schicht auf hochbrechende Materialien beschränkt.
[011] Eine weitere Schwierigkeit ergibt sich aus der Tatsache, dass die Modenpropagation und damit die Feldstärke des zur Anregung zur Verfügung stehenden Feldes sehr empfindlich von der Wellenleiterkonfiguration und von eventuell vorhandenen Stör- stellen abhängt. Kleinste Verunreinigungen führen zu Streulicht und zu einer Abschwächung der Intensität des geführten Lichtes. Dies ist ein Effekt, der integral über die Distanz, den das geführte Licht im Wellenleiter propagiert, zum tragen kommt und damit selbst bei kleinen Verunreinigungen und/oder Defekten das Messergebnis verfälschen kann.
[012] Eine weitere Schwierigkeit ist die Einkopplung des Lichtes in den Wellenleiter, die unter anderem mittels Stirnseiten- Beaufschlagung, Prismen-Kopplung oder Koppelgitter erreicht wer- den kann. In allen oben genannten Fällen ist es schwierig eine konstante Koppeleffizienz zu realisieren, die aber vorzugsweise für eine quantitative Aussage erzielt werden sollte.
[013] Hinzu kommt, dass die Dichte der unterschiedlichen Messbe- reiche aufgrund der Ausdehnung des Wellenleiters begrenzt ist.
[014] Eine weitere Möglichkeit zu einem überhöhten evaneszenten Feld zu kommen ist die Anregung sogenannter Oberflächenplasmo- nen. Diese in metallischen Schichten realisierten Anregungszu- stände propagieren in der Schichtebene bis sie beispielsweise durch Absorption im Metall oder durch Streuung zerfallen. Auch hier ist die Kontrolle der in dem Fall durch die Oberflächenpiasmonen realisierte evaneszente Feldstärke eine große Schwierigkeit. Außerdem ist auch hier die Dichte der Messberei- ehe begrenzt, da Oberflächenplasmonen in der Regel endliche
Strecken propagieren bevor sie zerfallen. Hinzu kommt, dass Metalle in vielen Fällen Stabilitätsprobleme aufweisen und insbesondere altern, was zu unzuverlässigen Messungen führen kann.
[015] In neueren Ansätzen wird der wohlbekannte Effekt des reso- nant.en Gitters mit anomalen Transmissionseinbrüchen ausgenutzt, wie zum Beispiel in WO2001/002839 von Novartis beschrieben (im folgenden Novartis-Anmeldung genannt) . Analog zum Wellenleiter wird dabei auf das Substrat eine Schicht aufgebracht, deren Bre- chungsindex höher ist als der Brechungsindex des Substrates. Andernfalls tritt der resonante Effekt nicht auf. Außerdem wird der Messfeld-Bereich der Oberfläche durch periodische Gräben definiert.
[016] Die Dimensionierung der Strukturen und Schichten wird so gewählt, dass bei Beaufschlagung mit kohärentem Licht unter bestimmtem Winkel ein Resonanzeffekt auftritt, bei dem die Transmission anomal reduziert ist und dabei das gewünschte evaneszente Feld aufgebaut wird. Dies ist mit dem Vorteil verbunden, dass Licht nicht in einer Wellenleitermode über eine lange Strecke propagieren muss und die Vorrichtung daher wesentlich unempfindlicher gegenüber Störstellen und Streuzentren ist. Hinzu kommt, dass im Vergleich zur Einkopplung in einen Wellenleiter das System kleiner gewählt und somit die Anzahl der Messbereiche stark erhöht werden kann, da das Licht im wesentlichen nicht lateral propagiert. Dieser Vorteil der 'potentiell erhöhten Messbereichs- dichte wurde vor allem in WO2000/75644 von Zeptosens (im folgenden Zeptosens-Anmeldung genannt) betont. Auch in der Zeptosens- Anmeldung werden kontinuierliche Modulationen im Messbereich realisiert, wobei allerdings noch von einem optischen Schichtwel- lenleiter ausgegangen wird.
[017] Sowohl der Wellenleiter-Ansatz zur Realisierung einer hohen Feldstärke im Bereich der Oberfläche als auch der Ansatz ü- ber das resonante Gitter mit anomaler Transmission sind mit dem Nachteil behaftet, dass die an der Oberfläche realisierte Feldstärke lediglich ein Bruchteil der in der hochbrechenden Schicht und unter Umständen wellenleitenden Schicht realisierten Feldstärke darstellt. Zugänglich in diesen Systemen sind lediglich die quergedämpften evaneszenten Ausläufer des Feldes.
[018] Des weiteren ist von Nachteil, dass in diesen Fällen eine hochbrechende Schicht als Abschluss gegenüber dem umgebenden Medium verwendet werden muss . Die Biochemie, aufgebaut auf Si02- Oberflachen ist am weitesten entwickelt. Bei der Verwendung von Glassubstraten muss daher auf andere Materialien übergegangen werden, um die im Vergleich zum Substrat hochbrechende Schicht zu realisieren. Beispielsweise wird hierzu Ti02 oder Ta205 eingesetzt. Dies sind jedoch im Vergleich zu SiO. Materialien, die in Verbindung mit der Biochemie weniger etabliert sind. Es gibt die Möglichkeit auf die hochbrechende Schicht eine dünne Si02-
Schicht aufzubringen. Diese muß dann allerdings sehr dünn gewählt werden, da der Abfall des evaneszenten Feldes auch in dieser Schicht exponentiell verläuft .
[019] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung die obenstehenden Nachteile zu überwinden. Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung anzugeben, mittels der eine überhöhte Feldstärke erzielt werden kann, wobei die der Messsubstanz zugängliche maximale Feldstärke nicht nur die eva- neszenten Komponenten der sich in der Vorrichtung aufbauenden
Feldstärken umfassen soll. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Realisierung der hohen, nicht ausschließlich evaneszenten Feldstärken in an der Oberfläche liegenden Schichten deren Brechungsindex nicht oder nur unwesentlich höher (<1%) ist als der Brechungsindex des . Substrates . Es ist auch Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren anzugeben gemäß dem eine solche Feldstärke erzielt werden kann.
[020] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mittels einer Plattform zur Erzeugung einer elektromagnetischen Feldverteilung nach Anspruch 1.
Eine solche Plattform umfasst
- ein Substrat - eine am Substrat vorgesehenen strukturierten Schicht, wobei die Schichtdicke der strukturierten Schicht durch die maximale Strukturtiefe bestimmt ist,
- Kopplungsmittel zur Kopplung von beaufschlagter elektromagnetischer Strahlung in die strukturierte Schicht zum Aufbau einer elektromagnetischen Feldverteilung innerhalb der strukturierten Schicht
- ein Vielschichtsystem das zwischen Substrat und strukturierter Schicht vorgesehen ist, vorzugsweise zur zumindest teilweisen Unterbindung der Kopplung von in der strukturierten Schicht auf- gebauten elektromagnetischer Feldern an in das Substrat propagierende höhererer als der nullten Beugungsordnungen, wobei die strukturierte Schicht, die Kopplungsmittel und das Vielschichtsystem aufeinander so abgestimmt sind, dass bei geeigneter Beaufschlagung der Plattform mit elektromagnetischer Strahlung die sich aufbauende elektromagnetische Feldstärke im Bereich der strukturierten Schicht maximal ist.
[021] Eine Ausführungsform der Plattform ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex oder gegebenenfalls der effektive Brechungsindex der strukturierten Schicht weniger als 1% höher, vorzugsweise jedoch kleiner ist als der Brechungsindex des Substrates ist.
[022] Eine weitere Ausführungsform der Plattform ist ferner da- durch gekennzeichnet, dass die Struktur der strukturierten
Schicht im wesentlichen periodisch angeordnete Einformungen umfasst, die Bestandteil der Kopplungsmit el sind.
[023] Eine weitere Ausführungsform der Plattform ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass das Vielschichtsystem metallische Schichten, vorzugsweise aus AI, Ag, Au, deren Kombination oder anderen geeignete Materialien umfasst.
[024] Eine weitere Ausführungsform der Plattform ist dadurch ge- kennzeichnet, dass das Schichtsystem dielektrische Schichten und vorzugsweise keine metallischen Schichten umfasst, wobei das Schichtsystem vorzugsweise in Wechselschichtbauweise aufgebaut ist, bei dem hoch und niederbrechende Schichten alternierend angeordnet sind.
[025] Weitere Ausführungsformen der Plattform sind dadurch gekennzeichnet, dass die Art der Strukturierung, die Kopplungsmittel, und die Anzahl sowie das Material und die Dickenverteilung der Schichten des Vielschichtsystems so gewählt sind, dass die sich bei geeigneter Beaufschlagung der Plattform mit elektromagnetischer Strahlung aufbauende Feldstärkeverteilung in den Schichtmaterialfreien Bereichen der strukturierten Schicht zumindest ein Maximum aufweist.
[026] Mit einer erfindungsgemäßen Plattform kann eine Feldverteilungsplattform erzeugt werden, die zusätzlich eine Quelle für die Erzeugung elektromagnetische Strahlung und ein elektromagnetisches Feld umfasst, dessen Feldstärke im Bereich der strukturierten Schicht maximal ist.
[027] In einer besonderen Ausführungsform der genannten Feldverteilungsplattform weist die elektromagnetischen Feldverteilung in den schicht-materialfreien Bereichen der strukturierten Schicht zumindest ein Maximum auf.
[028] Die vorhergenannten Plattformen und Feldverteilungsplattformen können Bestandteil eines Sensors zur Messung spezifischer Substanzen in eine biologischen und/oder chemischen und/oder biochemischen Probe sein.
[029] Die Aufgabe, ein Verfahren anzugeben gemäß dem eine überhöhte nicht ausschliesslich evaneszente Feldverteilung erzeugt werden kann wird mit folgenden Schritten gelöst: - Auswahl eines Substrates - Auswahl des Materials und der Struktur einer strukturierte Schicht - Auswahl der Materialien für ein Vielschichtsystem
- Festlegung der Parameter der zur Beaufschlagung verwendeten elektromagnetischen Strahlung
- Simulation und Optimierung der elekto agnetisehen Feldvertei- lung innerhalb einer das Substrat, das Vielschichtsystem und die strukturierte Schicht umfassenden Plattform bei Beaufschlagung mit elektromagnetischer Strahlung gemäß den festgelegten Parametern, wobei das Vielschichtsystem zwischen Substrat und strukturierter Schicht vorgesehen ist und Optimierungsziel eine Feld- Verteilung, die maximal innerhalb der strukturierten Schicht ist;
- Aufbau der Plattform zumindest angenähert gemäß dem Resultat der Optimierung.
- Beaufschlagung der Plattform mit elektromagnetischer Strahlung gemäß den festgelegten Parametern.
[030] In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird als Optimierungsziel eine elektromagnetische Feldverteilung angestrebt, die in den schichtmaterialfreien Bereichen der struktu- rierten Schicht zumindest ein Maximum aufweist.
[031] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe also durch geschickte Kombination der Eigenschaften von dielektrischen Vielschicht- systemen und von optischen Gittern gelöst. Hierbei wird sowohl das Prinzip der Wellenleitung in hochbrechenden Schichten als auch das Prinzip der anomalen Reduktion der Transmission von re- sonanten Gittern aufgegeben. Demgegenüber wird auf dem Substrat ein dielektrisches Wechselschichtsystem angeordnet, auf dem ein Beugungsgitter vorgesehen ist.
[032] Solche Strukturaufbauten sind aus der Literatur in Anwendungen bekannt, in denen beispielsweise Effizienz der Beugungsordnungen auf bestimmte Werte eingestellt werden soll. Zum Beispiel wird von Perry et al . in US 5*907 '436 (im folgenden Perry 436) eine solche Struktur beschrieben, deren Konfiguration so gewählt ist, dass der Anteil des einfallenden Lichtes, der Reflexion und Transmission der nullten und der höheren Beugungsordnungen durch die Anzahl der Schichten, Dicke mindestens einer Schicht und Tiefe und Form der Gitterstrukturen vorbestimmt ist. [033] Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein solches System nur oder zusätzlich dahingehend zu optimiert, dass im Bereich der Oberflächenstrukturen und insbesondere im Bereich der Gittergräben das optimierte System eine hohe oder gar die höchste Feldstärke besitzt. Durch eine solche Vorgehensweise gelangt man zu Systemen, in denen sich bei Beaufschlagung mit der für die Optimierung angesetzten elektromagnetischen Strahlung eine Feldverteilung aufbaut, die Maxima in den für die Messung zugänglichen Gittergräben aufweist.
[034] Zur Optimierung eignen sich sowohl lokale Optimierungsmethoden als auch globale Methoden, die beide dem Fachmann auf dem Gebiet der optischen Beschichtungen z.B. für die Optimierung von optischen Wechselschichtsystemen hinreichend bekannt sind. Die Anwendung solcher Optimierungsmethoden im Zusammenhang mit dem vorliegenden Optimierungsziel ist dagegen neu und erfinderisch. Allerdings weiß der Fachmann, wie vorzugehen ist, sobald ihm der neue Aspekt offenbart wurde, dass er auf die elektromagnetische Feldstärke in gewissen Bereichen der Struktur optimieren soll und diesbezüglich die Systemparameter als Optimierungsparameter, insbesondere die Schichtdicken und die Gittertiefe ansetzen soll. Damit ist die Lehre zum technischen Handeln vollständig offenbart.
[035] Soll, zum besseren Verständnis, dennoch ein anschauliches Bild als Erläuterung gegeben werden, so kann das Vielschichtsystem als Mittel zu Entkopplung der strukturierten Schicht vom Substrat bezüglich höherer Beugungsordnungen angesehen werden. Ein- und Auskopplung elektromagnetische Strahlung in die oder aus der strukturierte Schicht ist dann im wesentlichen auf die nullten BeugungsOrdnungen in Transmission oder Reflexion beschränkt. Dies kann zum Aufbau hoher elektromagnetischer Felder innerhalb der strukturierten Schicht führen, insbesondere auch dann, wenn es sich um BeugungsStrukturen mit schwacher Beugungs- effizienz handelt.
[036] Da solche anschaulichen Erläuterungen, insbesondere in einem Fall wie dem vorliegenden Fall, die Physik nur eingeschränkt korrekt wiedergeben können wird nochmals betont, dass der im Umgang mit optischen Vielschichtsystemen und Beugungsgitter sowie deren Optimierung geschulte Fachmann seine Optimie- rungsstrategie auf die Optimierung elektromagnetischer Feldverteilungen erweitern muss, um zu einem erfindungsgemäßen System gemäß der hier skizzierten Lösung der hier behandelten technischen Aufgabe zu gelangen.
[037] Eine solche Feldverteilung läßt sich insbesondere mit einem System erreichen, dessen homogene Schicht, auf der das Gitter angeordnet ist, und/oder dessen Gitterstruktur aus einem niederbrechenden Material und insbesondere aus einem Material bestehen kann, dessen Brechungsindex kleiner oder gleich dem
Brechungsindex des Substrates ist. Damit ist auch klar, dass der vorliegende Effekt weder auf dem Effekt der mit hohem Brechungs- index verknüpften Wellenleitung und den damit verbundenen elektromagnetischen Feldern beruht, noch auf dem Effekt der mit hohem Brechungsindex verknüpften resonanten Gitter in Verbindung mit
Reflexions- und/oder Transmissionsanomalien zurückgeführt werden kann. Im Gegensatz dazu ist es durchaus möglich, erfindungsgemäße Systeme zu realisieren, die entgegen dem Stand der Technik die Reflexion im wesentlichen unterbinden, was für die Anwendung durchaus von Vorteil sein kann, wie weiter unten beschrieben.
[038] Kurze Beschreibung der Figuren:
Figur 1 zeigt schematisch eine Struktur gemäß dem Stand der Technik gemäß der Novartis Anmeldung. Zusätzlich zeigt die Figur die in dieser Struktur sich aufbauende Feldverteilung bei Beaufschlagung mit Licht.
Figur 2 zeigt die mit der in Figur 1 verbundene Abhängigkeit der Reflexion und der Transmission als Funktion der Wellenlänge.
Deutlich sichtbar ist die anomale Reduktion der Transmission auf kleiner 1%.
Figur 3 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung. Zusätzlich zeigt die Figur sich aufbauende Feldverteilung bei Beaufschlagung mit Licht.
Figur 4 zeigt die mit dem in Figur 3 dargestellten System verbundene Abhängigkeit der Reflexion und der Transmission als Funktion der Wellenlänge. Die Spektren weisen weder anomale Reflexion noch anomale Transmission auf. Figur 5 zeigt schematisch eine weitere vorteilhafte Ausführungsform einer Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung.
Figur 6 zeigt die mit dem in Figur 5 dargestellten System verbundene erbundene Abhängigkeit der Reflexion und der Transmission als Funktion der Wellenlänge. Deutlich zu sehen ist, dass hier die Reflexion auf unter 1% abfällt.
Figur 7 zeigt den zu Figur 6 analogen Graphen für den Bereich von 632.8nm bis 633.2nm. Hierbei wird deutlich, dass bei einer Wellenlänge von 632.95nm die Reflexion sogar ganz unterdrückt werden kann.
Figur 8 zeigt einen Messaufbau gemäß der vorliegenden Erfindung zur selektiven Detektion von MessSubstanzen.
Die Erfindung wird im folgenden detailliert mit Hilfe von Beispielen und anhand der Figuren beschrieben.
[039] Um die Grundidee der vorliegenden Erfindung besser verständlich zu machen ist "es hilfreich zunächst ein typisches Beispiel des Stand der Technik wie es in der Novartis-Anmeldung offenbart ist, genauer zu analysieren. Ein solches System 97 ist in Figur 1 schematisch dargestellt. Bei dem System handelt es sich um ein strukturiertes Substrat 101 mit einem Brechungsindex von n=1.52 in dem ein periodisches Gitter mit der Gitterperiode von 360nm und einer Gittertiefe von 38nm realisiert ist. Das strukturierte Substrat 101 ist mit einer dielektrischen Schicht mit Brechungsindex n=2.2 und einer Dicke von 130nm belegt. Damit ist der Brechungsindex der Schicht deutlich höher als der Brechungsindex des Substrates . Die Gitterstruktur des Substrats ü- berträgt sich in diesem Fall an die Oberfläche, die den Ab- schluss zum umgebenden Medium, im folgenden Superstrat 113 ge- nannt, bildet. Eingezeichnet sind auch biologische Bindungsmoleküle 109 wie sie zum Beispiel bei einer Antikörper-Antigen Reaktion Anwendung finden.
[040] Das System wird im Beispiel mit Licht der Wellenlänge 633nm unter einem Einfallswinkel von 1^=2.9° mit TE-Polarisation beaufschlagt. Dieser Winkel entspricht dem Resonanzwinkel des Systems bei dem die Transmission anormal reduziert ist. Die Beaufschlagung erfolgt von der Superstratseite aus . Der einf llende Lichtstrahl spannt zusammen mit der Flächennormalen auf die hochbrechende Schicht die Einfallsebene auf. Die Beaufschlagung erfolgt derart, dass die Gitterstege diese Einfallsebene senkrecht durchstoßen, das heißt im hier betrachteten Beispiel handelt es sich um nicht konische Beaufschlagung. Die TE- Polarisation ist dadurch gekennzeichnet, dass dabei der elektrische Feldvektor in der Ebene senkrecht zur Einfallsebene schwingt.
[041] In der Figur 1 sind zusätzlich gestrichelte Linien eingezeichnet die Linien gleichen Amplitudenquadrats der Feldverteilung darstellen. Die entsprechenden Bezugszeichen 5, 10, 15, und 20 geben die entsprechenden Werte des Amplitudenquadrats an.
Sämtliche Angaben die sich in dieser Schrift auf Werte der Amplitudenquadrate beziehen sind Angaben relativ zu dem Amplitudenquadrat einer ebenen Welle. Mit anderen Worten hat das Licht, mit dem beaufschlagt wird ein Amplitudenquadrat von 1. Bezugs- zeichen sind nur für eines der Maxima eingezeichnet. Es fällt auf, dass die Maxima des Amplitudenquadrates völlig unzugänglich für die zu messenden Substanzen in der hochbrechenden Schicht eingebettet sind und die biologischen Koppelelemente lediglich die evaneszenten Ausläufer des Feldes zu spüren bekommen.
[042] Betrachtet man hier die Beugungseffizienzen als Funktion der Wellenlänge, dargestellt in Figur 2, so ist klar, dass sämtliche beaufschlagte Energie in diesem Fall in den nullten Beugungsordnungen konzentriert ist. Dies ist Grundlage des im Stand der Technik verwendeten resonanten Effekts. Ausserdem ist bei der Wellenlänge von 633nm eine Reflexion von nahezu 100% erreicht, während die Transmission entsprechend auf nahezu 0% zurückgeht, d.h. der Effekt der anormalen Reduktion der Transmission ist bei 633nm erkennbar. In der Figur 2 ist zur Verdeutli- chung des resonanten Effektes eine logarithmische Skala verwendet.
[043] Im ersten Beispiel gemäß der vorliegenden Erfindung, schematisch in Figur 3 dargestellt, wird ein erfindungsgemäßes Sys- tem 11 offenbart, welches auf einem Substrat 13 mit Brechungsindex von ca. n=1.52 realisiert ist. Dies würde standardmäßig dem Brechungsindex von z.B. BK7 oder ähnlichem Glas entsprechen. Auf dieses Substrat ist ein dielektrisches Schichtsystem 17 mit 6 Schichten aufgebracht. Die erste Schicht hat einen Brechungsindex von ca. n=2.35, der zum Beispiel mittels Ti02 realisiert werden kann. Die zweite Schicht hat einen Brechungsindex von ca. n=1.48, der zum Beispiel durch SiO. realisiert werden kann. Das Schichtsystem endet mit einer obersten Si02-Schicht . Auf diese Schicht aufgebracht ist eine periodische Gitterstruktur. Die Gitterperiode liegt bei 550nm. das Material der Gitterstege hat einen Brechungsindex von ca. n=1.48, was durch Strukturierung einer Si02-Schicht realisierbar wäre. Die Gittergräben haben einen Brechungsindex von ca. n*=l, d.h. Luft oder Vakuum oder ähnliches. Im Beispiel liegt ein Rechteckgitter mit einer Periode von 550nm vor, dessen Stege und Gräben dieselbe Ausdehnung ha- ben, d.h. es liegt ein Füllfaktor von f=0.5 vor. Das Medium, das sich an das Gitter anschließt, im folgenden wiederum Superstrat 37 genannt, hat ebenfalls den Brechungsindex n=l, d.h. das Gitter bildet den Abschluss des Systems gegenüber dem umgebenden Medium. Die Gittergräben sind daher frei zugänglich für aufzu- bringende und sich anlagernde MessSubstanzen.
[044] Das System wird im Beispiel mit Licht der Wellenlänge 633nm unter einem Einfallswinkel von ι3=2° mit TE-Polarisation beaufschlagt. Die Beaufschlagung erfolgt von der Superstratseite aus. Der einfallende Lichtstrahl spannt zusammen mit der Flächennormalen auf die letzte Schicht die Einfallsebene auf. Die Beaufschlagung erfolgt derart, dass die Gitterstege diese Einfallsebene senkrecht durchstoßen, das heißt im hier betrachteten Beispiel handelt es sich um nicht konischen Einfall. Die TE- Polarisation ist dadurch gekennzeichnet, dass dabei der elektrische Feldvektor in der Ebene senkrecht zur Einfallsebene schwingt. Damit ist die Beaufschlagungsbedingung mit Licht bis auf den geänderten Einfallswinkel identisch zum erläuterten Beispiel des Stand der Technik.
[045] Zur vollständigen Definition des Systems fehlen lediglich noch die Schichtdicken der einzelnen Schichten, sowie die Gittertiefe der Gitterstruktur. Diese wurden mit Hilfe von statistischer Optimierung aufgefunden. Hinsichtlich der Zielfunktion für die Optimierung gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Im Beispiel wurde als Ziel der Optimierung die maximale Feldstärke an einer Stelle im Bereich innerhalb der Gittergräben definiert. Zur Optimierung eignen sich sowohl lokale Optimierungsmethoden als auch globale Methoden, die beide dem Fachmann z.B. für die Optimierung von optischen Wechselschichtsystemen in der Dünnfilmtechnik hinreichend bekannt sind. Die Anwendung solcher Optimierungsmethoden im Zusammenhang mit der vorliegenden Anwendung ist dagegen neu und erfinderisch. Allerdings weiß der Fachmann, wie vorzugehen ist, sobald ihm der neue Aspekt offenbart wurde, dass er die Feldstärke optimieren soll und diesbezüglich die Systemparameter als Optimierungsparameter, insbesondere die Schichtdicken und die Gittertiefe ansetzen soll. Damit ist die Lehre zum technischen Handeln vollständig offenbart.
[046] Die folgende Tabelle 1 zeigt das Resultat einer solchen Optimierung:
Tabelle 1:
Figure imgf000016_0001
[047] In der Figur 3 dargestellt ist schematisch das im Beispiel beschriebene System 11 gezeigt. Auf dem Substrat aufgebracht ist das Schichtsystem 17 bestehend aus 6 Schichten. Auf dieses Schichtsystem 17 ist eine Gitterstruktur 19 realisiert die sowohl Gitterstege 23 als auch Gittergräben 29 umfasst. Die Gitterperiode ist 550nm. In die Figur 3 eingezeichnet sind auch biologische Bindungsmoleküle 31, 31 "* , 31 ■■ ' auf der Oberfläche, wie sie zum Beispiel bei einer Antikörper-Antigen Reaktion Anwendung finden. Dabei gibt es gegebenenfalls solche Bindungsmoleküle 31, die am Grabenboden sitzen, gegebenenfalls solche Bindungsmolekü- le 31"-, die an den Seitenwänden befestigt sind und gegebenenfalls solche Bindungsmoleküle 31,λ, die auf den Gitterstegen sitzen. Natürlich sind auch andere Gitterprofile, z.B. sinusförmige oder überhängende Profile möglich, wobei überall Koppelele- mente fixiert werden können. In der Figur 3 sind zusätzlich gestrichelte Linien eingezeichnet die Linien gleichen Amplitudenquadrats der Feldverteilung darstellen. Die entsprechenden Bezugszeichen 50, 100, 150 und 200 geben die entsprechenden Werte des Amplitudenquadrats an. Bemerkenswert hierbei ist, dass in den Gräben 29 der Gitterstruktur ein maximales Amplitudenquadrat von mehr als 200 ereicht wird. Diese Maxima sind deutlich höher als beim Stand der Technik und im Unterschied zu diesem voll für die Messsubstanzen zugänglich.
[048] Wie aus der Figur 3 ersichtlich, ist die ganze maximale
Feldverteilung auf den Bereich des Gitters eingeschränkt. Dies ist im Vergleich zum Stand der Technik auch daher ein neues System, weil die das Gitter bildende Materialien jeweils einen Brechungsindex besitzen der nicht über dem Brechungsindex des Sub- strates liegt und sogar deutlich niedriger sein kann.
[049] Der aus dem Stand der Technik bekannte Effekt der resonanten Gitter, der zu einer anormalen Reduktion der Transmission führt, geht, wie beschrieben, einher mit einer Reflexion von na- hezu 100%. In Figur 4 dargestellt ist die Abhängigkeit der Beugungseffizienzen als Funktion der Wellenlänge des Lichtes im Fall des beschriebenen ersten Beispiels gemäß der vorliegenden Erfindung. Deutlich zu sehen ist, dass über den gesamten betrachteten Wellenlängenbereich die Reflexion nicht über 70% geht und die Transmission in der nullten Ordnung nicht unter 2% geht. Bei der im Beispiel betrachteten Wellenlänge von 633nm liegt eine Reflexion von 14% vor während die Transmission nullter Ordnung ca 25% beträgt.
[050] In folgenden zweiten Beispiel wird sogar erreicht dass die Reflexion des Systems auf unter 10% sinkt. Wiederum umfaßt das System 211 ein Substrat 223, ein Schichtsystem 227, einen Gitterbereich 229 mit einer Periode von 550nm, biologische Koppelelemente 233 , 233 * , 233 "* ' und ein Superstrat 239. Die Art des be- aufschlagten Lichtes entspricht der Art des ersten Beispiels. Es wurde bei der Optimierung als Ziel die Anforderung gestellt, die Reflexion entsprechend niedrig zu halten bei immer noch hoher Feldstärke in den Gittergräben. Das System wurde entsprechend dem im ersten Beispiel beschriebenen System angesetzt, wobei hier 16 Schichten für die Optimierung angesetzt wurden und anstatt Ti02-Schichten wurden Ta205-Schichten verwendet. Die Optimierung der Schichtdicken ergab das folgende System:
Figure imgf000018_0001
[051] Die Figur 5 zeigt dieses System schematisch sowie die dazugehörende Feldverteilung in der Art dargestellt wie bereits bei den Figuren 1 und 3 geschehen. In dieser Figur 5 ist aller- dings aus darstellerischen Gründen für die Ausdehnung in Richtung der Schichtebenen ein zweifach vergrößerter Maßstab im Vergleich zu der Ausdehnung in Richtung der Schichtdicken gewählt. In der Figur 5 sind zusätzlich gestrichelte Linien eingezeich- net, die Linien gleichen Amplitudenquadrats der Feldverteilung darstellen. Die entsprechenden Bezugszeichen 250, 500, 750, und 1000 geben die entsprechenden Werte des Amplitudenquadrats an. Wie zu sehen ist eine hohe Feldstärke im Bereich der Gittergrä- ben realisiert.
[052] Die dazugehörende Figur 6 gibt die Reflexion und die Transmission als Funktion der Wellenlänge an. Deutlich wird, dass bei keiner Wellenlänge des betrachteten Bereichs die Refle- xion an 100% herankommt. Sehr wahrscheinlich liegt hier ein re- sonanter Effekt vor, der jedoch offensichtlich von dem im Stand der Technik (Novartis-Anmeldung) beschriebenen unterschiedlich ist .
[053] Die Figur 7 entspricht der Figur 6, wobei lediglich der
Wellenlängenbereich von 632.8nm bis 633.2nm dargestellt ist. Dabei ist zu sehen, dass für eine Wellenlänge von 632.95nm die Reflexion sogar ganz unterdrückt werden kann. Bei Perry '436 war die Gitterperiode kein Optimierungsparameter, da es hierbei auch um Beugungseffizienzen und deren Propagationsrichtung auch höherer BeugungsOrdnungen ankommt. Die Richtungen werden durch die Gitterperiode bestimmt. Da diese bei der vorliegenden Erfindung zunächst eine untergeordnete Rolle spielen, ist die Gitterperiode ein freier Parameter, der entsprechend in die Optimierung eingehen kann. Aus dem Grund ist es möglich das Gitter, z.B. durch Skalierung so anzupassen, dass die minimale Reflexion bei der gewünschten Wellenlänge (im Beispiel bei 633nm) liegt. Dies ist insbesondere dann von Vorteil wenn darauf geachtet werden muss dass kein Anregungslicht durch Reflexion zum Detektor für Fluoreszenzlicht gelangt.
[054] Figur 8 zeigt schematisch eine Möglichkeit wie ein der Erfindung entsprechender Messaufbau 307 gestaltet sein kann. Ausgemessen werden sollen die auf dem Messchip 311 gekoppelten flu- oreszenzmarkierten spezifischen Substanzen. Der Messchip 311 wird mit im wesentlichen parallelem Anregungslicht LA unter einem genau definierten Winkel beaufschlagt. Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass ein gebündelter Lichtstrahl durch eine Linse 331 transmittiert . Im Beispiel kommt das Anre- gungslicht LA von einer Lichtquelle 313 und wird durch einen selektiven Spiegel 317 und durch 'die Linse 331 transmittiert und trifft auf die Oberfläche des Messchips 311. Hier baut sich im Gitterbereich ein starkes elektromagnetisches Feld auf, das die zu messende spezifische und an die Oberfläche gebundene Substanz zur Fluoreszenz anregt. Fluoreszenzlicht LF propagiert dann zur Linse 331. Da sich die Oberfläche in der Fokalebene der Linse 313 befindet, propagiert dieses Fluoreszenzlicht LF als im wesentlichen paralleles Lichtbündel zum selektiven Spiegel 317 der es zu einem Detektor 337 reflektiert, der die Intensität der Fluoreszenz misst.
[055] Natürlich gibt es unterschiedliche Ausgestaltungsformen einer solchen Anordnung. Zum Beispiel kann man eine Lichtquelle verwenden, die die Linse 331 gleichzeitig mit unterschiedlichen diskreten oder kontinuierlichen Winkeln beaufschlagt und somit mehrere Punkte oder einen ganzen Bereich der Oberfläche des
Messchips 311 beleuchtet. Wird dann anstatt des Detektors eine Detektorzeile oder Matrix verwendet (zum Beispiel ein CCD-Chip) so können gleichzeitig mehrere Bereiche des Messchips ausgewertet werden.
[056] In der Regel werden die zu messenden Substanzen gelöst in einer flüssigen Probe auf das Substrat aufgebracht. Dabei ist es wichtig, dass eine geringe Ausdehnung der Tropfen auf der Oberfläche realisiert werden kann. Es hat sich gezeigt, dass insbe- sondere bei tiefen Gittergräben die Tropfen dazu tendieren auseinander zu laufen. Dies aufgrund der durch die Gräben auf die Tropfen wirkenden Kapillarkräfte. Im Extremfall fliesen die Tropfen sogar ineinander über . Um dem entgegen zu wirken können die Gräben durch Fliessbarrieren verstopft werden. Dies können beispielsweise zu den Gitterstäben quer stehende , durchgehende Wände sein. Solche Wände lassen sich durch dielektrisches Beschichten der Plattform durch eine Maske hindurch realisieren. Typische Größen für die Durchmesser einzelner Messfelder, im folgenden Spot-Durchmesser genannt, sind derzeit 80μm bis 200μm. Vorteilhafterweise ist der Abstand zweier Wände jedoch mindestens Faktor drei kleiner, vorzugsweise Faktor fünf bis zehn kleiner als der zu erreichende Spot-Durchmesser damit garantiert ist, dass tatsächlich nicht zwei Tropfen sich einen gleichen Zwischenwandbereich teilen müssen. [057] Bisher wurden lediglich die Methoden zur Messung von sich spezifisch bindenden Substanzen betrachtet, die auf der Basis von Fluoreszenzmarken arbeiten. Es ist jedoch klar, dass das erfindungsgemäße System auch direkte Messmethoden ermöglicht, d.h. Messmethoden die ohne spezifischen Marker auskommen. Eine ausführliche Beschreibung solcher Label-freien Methoden ist zum Beispiel in WO 86/07149 zu finden. Ziel einer solchen Messung kann zum Beispiel die Bestimmung der Brechwertänderung in einer im Beispiel flüssigen Messsubstanz sein. Diese Messsubstanz füllt die Gräben des Gitterbereichs. Ändert sich der Brechungsindex in der Messsubstanz, so ändert sich damit auch der Brechungsindex im Bereich der Gräben. Diese Änderung beeinflußt direkt die Konfiguration des Gitters und die sich darin aufbauende Feldstärkeverteilung. Diese Änderung kann mittels unterschiedli- eher Methoden gemessen werden da dies direkt Einfluß auf die reflektierten und/oder transmittierten BeugungsOrdnungen (nullte und auch höhere Ordnungen) hat. Natürlich kommen hier auch spektrale und/oder winkelabhängige Messungen, d.h. Messung einer oder mehrerer Beugungsordnungen als Funktion der Wellenlänge in Frage .
[058] Label-freie, selektive Messung wird zum Beispiel durch spezifische Chemisorption oder Physisorption, Adsorption, De- sorption und/oder chemische Bindung (im folgenden unter Sub- Stanzeinwirkung zusammengefasst) von zu messenden Substanzen an der Oberfläche möglich. Dies führt zu einer messbaren Veränderung der Konfiguration des die Feldverteilung mitbestimmenden Gesamtlayouts des Messchips und insbesondere die des Gitterbereichs. Beispielsweise kann sich durch eine solche Substanzein- Wirkung der Füllfaktor des Gitterbereichs ändern, der aber entscheidend die Beugungseffizienzen mitbeeinflusst . Es ist klar, dass Selektivität einer solchen Substanzeinwirkung auch mittels einer Zusatzschicht erzielt werden kann, die aufgrund des sogenannten Schlüssel-Schloss-Prinzips die zu messenden Substanzen spezifisch an sich bindet. Zum Beispiel könnten zu Messbeginn lediglich Antikörper an der Gitteroberfläche, insbesondere den Gittergräben folgend, gebunden sein. Während der Messung binden sich die entsprechenden Antigene und ändern dadurch die Gitterkonfiguration. [059] Besonders interessant ist die Möglichkeit, auf die erfindungsgemäßen Systeme einen Filter direkt zu integrieren. Es ist nämlich möglich, die Gitterstrukturen so zu beschichten, dass die Gittergräben nicht oder nur wenig gefüllt werden, während sich Schichtmaterial im wesentlichen auf den Gitterstegen ablagert. Dies kann beispielsweise durch Beschichten mittels Sput- tertechniken erzielt werden. Bei diesem Beschichtungsprozess verjüngt sich mit zunehmender Beschichtungsdicke der Gittergraben. Es entsteht daher ein sich zur Oberfläche hin verjüngender Kanal, d.h. mittels Beschichtung kann jede gewünschte Öffnungsbreite, die kleiner oder gleich der ursprünglichen Grabenbreite ist, eingestellt werden. Partikel, die sich in der Messsubstanz befinden und einen größeren Durchmesser als die Kanalbreite haben, werden nicht in die Grabenregion diffundieren können. Damit liegt die Möglichkeit einer integrierten mechanischen Filterung vor. Es besteht die Möglichkeit den sich verjüngenden Kanal aus einem Wechselschichtsystem aufzubauen, dessen Material und Schichtdickenverteilung im Hinblick auf optische Anforderungen optimiert werden können.
[060] In WO 86/07149 wurde eine Membran beschrieben, die die Messsubstanzen vorfiltert und damit eine Vorselektion bewirkt. Auch bei den erfindungsgemäßen Systemen kann eine solche zusätzliche Membran vorgeschaltet sein. Insbesondere eignet sich das System zur Analyse von biologischen Prozessen, die mit sogenannten Botenstoffen zu tun haben. In manchen biologischen Prozessen löst beispielsweise das Eindringen einer spezifischen Substanz auf der einen Seite der Membran eine spezifische Reaktion auf der anderen Seite der Membran aus. Diese kann zum Beispiel darin bestehen, dass Botenstoffe die Membran verlassen und ins angrenzende Medium diffundieren. Solche Botenstoffe können mitunter Änderungen im pH-Wert verursachen. Lösungen können so präpariert werden, dass eine solche pH-Wertänderung eine Farbänderung der Lösung zur Folge hat. Die Farbänderung kommt meistens über eine Änderung der Licht-Absorptionseigenschaften der Lösung zustande und eine solche Änderung hat wiederum Einfluss auf die Feldverteilung im Gitterbereich, die gemäß den vorher beschriebenen Beispielen erfindungsgemäß meßbar ist.
[061] Es wurden unterschiedliche Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Systemen beschrieben. Um die dafür notwendigen Schichtsysteme herzustellen, können die unterschiedlichen und dem Fachmann geläufigen Beschichtungsverfahren, wie zum Beispiel thermisch bedampfen, PVD, CVD, insbesondere PECVD oder PICVD und andere verwendet werden. Zur Herstellung des Gitterbereichs eig- nen sich Interferenzverfahren, insbesondere Verfahren, die auf der Belichtung einer photoempfindlichen Schicht mittels Zweistrahlinterferenz beruhen oder Phasenmasken ausnutzen. Anschließend werden mittels der bekannten Lithographietechniken die in der photoempfindlichen Schicht realisierten Gitterstrukturen in die darunter liegende Schicht übertragen.
[062] Eine Schwierigkeit kann darin bestehen, dass das unter dem Gitterbereich liegende Schichtsystem die Belichtung zur Herstellung des Gitters stört. In diesem Fall kann es von Vorteil sein, auf eine Prägetechnik umzusteigen, bei dem beispielsweise ein
Polymer auf das Schichtsystem aufgebracht wird, dem anschließend mittels eines Prägestempels ein Gitter aufgeprägt wird. Mittels der nachfolgenden Lithographie wird dann das Gitter in die darunter liegende Schicht übertragen. Eine andere Möglichkeit diese Schwierigkeit zu umgehen besteht darin, ein erfindungsgemäßes
System zu wählen, bei dem das Gitter im Substrat realisiert ist und sich die Gitterstrukturen bis an die Oberfläche übertragen. Auch eine solche Ausführungsform lässt die Möglichkeit zu, erfindungsgemäß den wesentlichen Anteil des sich aufbauenden e- lektromagnetischen Feldes in der Gitterstruktur und dabei unter anderem in den für die MessSubstanzen zugänglichen Gittergräben zu konzentrieren.
[063] Die hier besprochenen Ausführungsformen der Erfindung sind lediglich als Beispiele anzusehen auf die der Gegenstand der Erfindung jedoch nicht beschränkt ist. Es sind beispielsweise unterschiedlichste Varianten der Ausführung der Beleuchtung denkbar:
- In den Beispielen wurde durchweg TE-polarisiertes Licht ver- wendet, wobei sich der Gegenstand der Erfindung auch auf Beaufschlagung mit TM-polarisiertem Licht erstrecken soll.
- In den Beispielen wurde lediglich nicht-konische Beaufschlagung mit Licht betrachtet. Es ist aber auch möglich Konfigu- rationen mit konischer Beaufschlagung zu wählen. - Es sind Ausführungs ormen denkbar, die kohärentes, inkohärentes oder teilkohärentes Licht verwenden.
- Es sind erfindungsgemäße Ausführungsformen mit polarisiertem Licht oder mit unpolarisiertem Licht denkbar. Bei speziell gewählter Polarisation, beispielsweise bei zirkularer Polarisation sind z.B Messungen der Phasenverschiebung und insbesondere der Änderung der Phasenverschiebung möglich.
- Als Lichtquellen kommen breitbandige Lichtquellen und/oder schmalbandige Lichtquellen und/oder monochromatische Lichtquellen in Frage. D.h. möglich ist unter anderem der Einsatz von kontinuierlichen oder gepulsten Lasern, insbesondere Halbleiterlasern, Leuchtdioden (LED) und Glühlampen.
[064] Das zur Beaufschlagung verwendete Licht kann aus unterschiedlichen Richtungen kommen:
- Substratseitig - Superstratseitig
- über ein im erfindungsgemäßen System zusätzlich integrierten und möglicherweise strukturierten Wellenleiter oder aus einer Kombination einzelner oder mehrerer oder aller.
[065] Es wurden hier lediglich Gitterbereiche beschrieben, die' eindimensionale, rechteckige Gitterprofile aufweisen. Auch hier sind erfindungsgemäße Ausführungsformen möglich und Gegenstand der vorliegenden Erfindung, die sich auf allgemeinere Gitter- Strukturen beziehen. Beispielsweise:
- Eindimensionale Gitter, deren Profil von der Rechteckform abweicht und/oder deren Füllfaktoren von 0.5 abweichen.
- Eindimensionale Gitter, bei denen zwei oder mehrere Gitterperioden überlagert sind, deren Gittervektoren parallel zueinander sind.
- Zweidimensionale Gitter, d.h. periodische Strukturen mit min- destens zwei nicht parallelen Gittervektoren (gekreuzte Gitter) , wobei insbesondere diejeriigen zweidimensionalen Gitter in Bezug auf Polarisationseffekte interessant sind, deren Gittervektoren senkrecht aufeinander stehen und/oder betrags-mäßig gleich sind.
- Periodische Strukturen, die selbst aus Schichtsystemen aufgebaut sind.
[066] Als Teilaspekt der hier beschriebenen Erfindung wurde bereits beschrieben, dass es möglich ist die hohe- Feldverteilung in einem Gitterbereich zu konzentrieren, in dem die Brechungsindizes der beteiligten Materialien gleich oder kleiner als der Brechungsindex des Substrates ist.
[067] Ein anderer Teilaspekt der Erfindung ist die Möglichkeit, dass aufgrund der Gittergräben den zu messenden Substanzen Bereiche maximaler Feldstärke zugänglich sind. Dieser erfinderische Aspekt kann auch durch einen strukturierten Gitterbereich erzielt werden, bei dem eines oder mehrere der beteiligten Mate- rialen einen Brechungsindex besitzt der über dem Brechungsindex des Substrates liegt.
[068] In den Beispielen wurden lediglich Systeme beschrieben, die die erfindungsgemäßen Effekte ausschließlich mittels dielektrischer Materialien erzielen. Es sind aber auch erfindungs- gemäße Ausführungsformen möglich, die metallische Materialien und insbesondere strukturierte metallische Materialien umfassen. Weiterhin sind Ausführungsformen möglich, die die erfindungsgemäßen Effekte (hohes Feld in den für MessSubstanzen zugänglichen Gittergräben) mit den aus dem Stand der Technik bekannten Effek- ten, insbesondere mit Oberflächenplasmonen kombinieren.
[069] Der Schwerpunkt in der Beschreibung war die Verwendung eines erfindungsgemäßen Systems in der Sensorik. Das erfindungsgemäße System ist allerdings immer dort anwendbar, wo im Nahfeld (d.h. im Bereich von bis zu ca 10 Wellenlängen Abstand von der Oberfläche) Substanzen belichtet werden sollen. Die Tatsache, dass beispielsweise im System in Figur 5 über eine Gitterperiode nahezu 4 Feldstärkemaxima realisiert sind, läßt beispielsweise die Möglichkeit zu, im Nahfeld eine photosensitive Schicht der- art zu belichten, dass eine nahezu viermal kleinere Gitterperiode realisiert werden. Bezugszeichenliste
97 System
101 Substrat
103 Periodisches Gitter
107 Dielektrische Schicht
109 Biologische Koppelelemente
113 Superstrat
11 System
13 Substrat
17 Schichtsystem
19 Gitterstruktur
23 Gitterstege
29 Gittergräben
31 Biologische Koppelelemente am Grabenboden
31 "* Biologische Koppelelemente an den Seitenwänden
31 ■* "* Biologische Koppelelemente auf den Gitterstäben
37 Superstrat
211 System
223 Substrat
227 Schichtsystem
229 Gitterbereich
233 Biologische Bindungsmoleküle am Grabenboden
233' Biologische Bindungsmoleküle an den Seitenwänden
233' Biologische Bindungsmoleküle auf den Gitterstäben
239 Superstrat
307 Messaufbau
311 Messchip
313 Lichtquelle
317 Selektiver Spiegel
331 Linse
337 Detektor
LA Anregungslicht
LF Fluoreszenzlicht Linie gleichen Amplitudenquadrats mit Wert 5 Linie gleichen Amplitudenquadrats mit Wert 10 Linie gleichen Amplitudenquadrats mit Wert 15 Linie gleichen Amplitudenquadrats mit Wert 20
Linie gleichen Amplitudenquadrats mit Wert 50 Linie gleichen Amplitudenquadrats mit Wert 100 Linie gleichen Amplitudenquadrats mit Wert 150 Linie gleichen Amplitudenquadrats mit Wert 200
Linie gleichen Amplitudenquadrats mit Wert 250 Linie gleichen Amplitudenquadrats mit Wert 500 Linie gleichen Amplitudenquadrats mit Wert 750 Linie gleichen Amplitudenquadrats mit Wert 1000

Claims

Ansprüche
1. Plattform zur Erzeugung einer elektromagnetischen Feldverteilung mit - einem Substrat
- einer am Substrat vorgesehenen strukturierten Schicht, wobei die Schichtdicke der strukturierten Schicht durch die maximale Strukturtiefe bestimmt ist,
- Kopplungsmittel zur Kopplung von beaufschlagter elektromag- netischer Strahlung in die strukturierte Schicht zum Aufbau einer elektromagnetischen Feldverteilung innerhalb der strukturierten Schicht
- einem Vielschichtsystem zwischen Substrat und strukturierter Schicht, vorzugsweise zur zumindest teilweisen Unterbindung der Kopplung von in der strukturierten Schicht aufgebauten e- lektromagnetischen Feldern an in das Substrat propagierende höhererer als der nullten BeugungsOrdnungen, wobei die strukturierte Schicht, die Kopplungsmittel und das Vielschichtsystem aufeinander so abgestimmt sind, dass bei ge- eigneter Beaufschlagung der Plattform mit elektromagnetischer Strahlung die sich aufbauende elektromagnetische Feldstärke im Bereich der strukturierten Schicht maximal ist.
2. Plattform gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex oder gegebenenfalls der effektive Brechungsindex der strukturierten Schicht weniger als 1% höher, vorzugsweise jedoch kleiner ist als der Brechungsindex des Substrates ist.
3. Plattform nach einem der Ansprüche 1 und 2 ist dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur der strukturierten Schicht im wesentlichen periodisch angeordnete Einfor ungen umfasst, die Bestandteil der Kopplungsmittel sind.
4. Plattform nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vielschichtsystem metallische Schichten, vorzugsweise aus AI und/oder Ag umfasst.
5. Plattform nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Schichtsystem dielektrische Schichten und vorzugsweise keine metallischen Schichten umfasst, wobei das Schichtsystem vorzugsweise in Wechselschichtbauweise aufgebaut ist, bei dem hoch und niederbrechende Schichten alternierend angeordnet sind.
6. Plattform nach Anspruch 1 bis 5 sind dadurch gekennzeichnet, dass die Art der Strukturierung, die Kopplungsmittel, und die Anzahl sowie das Material und die Dickenverteilung der Schichten des VielschiebtSystems so gewählt sind, dass die sich bei geeigneter Beaufschlagung der Plattform mit elektrσ- magnetischer Strahlung aufbauende Feldstärkeverteilung in den schichtmaterialfreien Bereichen der strukturierten Schicht zumindest ein Maximum aufweist .
7. Feldverteilungsplattform die eine Plattform nach einem der Ansprüche 1 bis 6 umfasst mit einer Quelle für die Erzeugung elektromagnetische Strahlung und mit elektromagnetischem Feld, dessen Feldstärke im Bereich der strukturierten Schicht maximal ist.
8. Feldverteilungsplattform, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetischen Feldverteilung in den schichtmaterialfreien Bereichen der strukturierten Schicht zumindest ein Maximum aufweist.
9. Sensor mit einer Plattform oder einer Feldverteilungsplattform gemäß einem der vorangehenden Ansprüche zur Messung spezifischer Substanzen in einer biologischen und/oder chemischen und/oder biochemischen Probe.
10. Verfahren zur Erzeugung einer überhöhten nicht ausschliess- lich evaneszenten elektromagnetischen Feldverteilung mit folgenden Schritten:
- Auswahl eines Substrates
- Auswahl des Materials und der Struktur einer strukturierten Schicht
- Auswahl der Materialien für ein Vielschichtsystem
- Festlegung der Parameter einer zur Beaufschlagung zu verwendenden elektromagnetischen Strahlung
- Simulation und Optimierung der elektomagnetiεchen Feldver- teilung innerhalb einer das Substrat, das Vielschichtsystem und die strukturierte Schicht umfassenden Plattform bei Be- aufschlagung mit elektromagnetischer Strahlung gemäß den festgelegten Parametern, wobei das Vielschichtsystem zwischen Substrat und strukturierter Schicht vorgesehen ist und Optimierungsziel eine Feldverteilung ist, die maximal innerhalb der strukturierten Schicht ist;
- Aufbau der Plattform zumindest angenähert gemäß dem Resultat der Optimierung;
Beaufschlagung der Plattform mit elektromagnetischer Strahlung gemäß den festgelegten Parametern.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet dass als Optimierungsziel eine elektromagnetische Feldverteilung angestrebt wird, die in den Schichtmaterialfreien Bereichen der strukturierten Schicht zumindest ein Maximum aufweist.
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