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Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Detektion einer Substanz in einer Probe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits verschiedene Ausgestaltungen optischer Sensoren bekannt, welche mit Ringresonatoren ausgestattet sind. Bei derartigen Sensoren wird Licht, welches durch einen Wellenleiter geführt wird, durch evaneszente Kopplung in einen photonischen Mikroring eingebracht, der als Ringresonator dient. Aus diesem photonischen Mikroring kann das Licht ebenfalls durch evaneszente Kopplung wieder in den Wellenleiter übertreten. Wenn die Frequenz des Lichtes der Resonanzfrequenz des photonischen Mikrorings entspricht, liegt dasjenige Licht, welches in den Wellenleiter zurückgekoppelt wird, derart phasenverschoben vor, dass es zu einer destruktiven Interferenz mit dem sich im Wellenleiter ausbreitenden Licht kommt. Eine derartige destruktive Interferenz kann in einer Abnahme der am Ende des Wellenleiters detektierten Lichtintensität registriert werden.
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Die Resonanzfrequenz der photonischen Mikroringe ist dabei von deren effektivem Brechungsindex abhängig. Dieser effektive Brechungsindex kann durch die Anlagerung von Molekülen an die photonischen Mikroringe beeinflusst werden. Ein aus dem Stand der Technik bekanntes Konzept sieht daher vor, photonische Mikroringe mit bestimmten Rezeptormolekülen zu beschichten, die einen spezifischen Stoff binden können. Kommt es zur Bindung dieses Stoffes, ändert sich der effektive Brechungsindex und damit die Resonanzfrequenz der photonischen Mikroringe, was in einer Wellenlängenverschiebung des Intensitätsminimums des detektierten Lichtes resultiert.
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Dieses generelle Prinzip eines optischen Sensors mit einem Ringresonator, welcher mit einem spezifischen Rezeptormolekül beschichtet ist, ist beispielsweise in der Veröffentlichung von Orghici et al.: „A Microring Resonator Sensor for Sensitive Detection of 1,3,5-Trinitrotoluene (TNT)”, Sensors 10 (2010), 6788–6795 beschrieben. Wie sich aus dieser Veröffentlichung ergibt, kann mit spezifischen Rezeptormolekülen eine sehr hohe Empfindlichkeit (Sensitivität) und eine sehr gute Querempfindlichkeit gegenüber anderen Molekülen (Selektivität) erreicht werden.
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Nachteilig am Einsatz spezifischer Rezeptormoleküle ist die beschränkte Verwendbarkeit eines entsprechend ausgestatteten optischen Sensors. Letztlich muss auf diese Art und Weise für jeden nachzuweisenden Stoff ein separater Sensor hergestellt werden.
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Die Veröffentlichung von Iqbal et al.: „Label-free Biosensor Arrays Based an Silicon Ring Resonators and High-Speed Optical Scanning Instrumentation”, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 16 (2010), Nr. 3, 654–661 beschreibt einen Sensor mit mehreren darauf angeordneten Ringresonatoren. Die einzelnen Ringresonatoren können über eine entsprechende Spiegeloptik angesteuert und ausgelesen werden. Mit DNA-Oligonukleotiden werden wiederum spezifische Rezeptormoleküle für eine einzige zu detektierende Substanz (nämlich eine spezifische DNA) beschrieben.
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Aus der
EP 2 270 478 A1 ist zudem ein optischer Sensor mit einer Vielzahl von Mikroringen bekannt, bei dem die einzelnen Mikroringe mittels thermischer Modulation gezielt angesteuert werden können. Auf diese Weise ist es möglich, mehr als einen photonischen Mikroring bzw. Ringresonator an einem einzigen Wellenleiter anzuordnen und dennoch individuell ansteuern zu können.
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Die
WO 2005/019798 A2 beschreibt biochemische Sensoren mit Mikroresonatoren. Diese Mikroresonatoren weisen eine Oberflächenbeschichtung mittels Polymeren auf, wobei die Polymere durch reaktive Gruppen modifiziert werden können, um eine Anbindung weiterer Moleküle zu ermöglichen.
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Die
US 7,106,429 B2 beschreibt eine Vorrichtung zum Detektieren ausgewählten Materials, wobei ein Ringresonator eingesetzt wird. Dabei können zwei oder mehrere Substanzen miteinander gekoppelt werden, um eine Anbindung an den Ringresonator zu ermöglichen. In diesem Zusammenhang zielt dieses US-Patent insbesondere auf klassische Antigen-Antikörper-Bindungen ab.
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Die
US 2004/0023396 A1 beschreibt einen Biosensor mit einem Ringresonator, auf dessen Oberfläche Rezeptormoleküle angebunden sind. Mittels dieser Rezeptormoleküle können dann andere, definierte Moleküle detektiert werden.
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Die
DE 10 2008 047 658 B3 beschreibt einen Gassensor mit einem mechanischen Mikroresonator, der eine Anregungsvorrichtung zum optischen Anregen einer mechanischen Schwingung aufweist. Der Mikroresonator ist dabei stimmgabelähnlich ausgebildet.
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Die
WO 91/03728 A1 beschreibt ein Sensorsystem mit einem optischen Wellenleiter. Dabei beschäftigt sich diese internationale Patentanmeldung insbesondere mit der Bestimmung von Substanzen, die eine Dünnschicht-Kontamination auf dem Wellenleiter ausbilden.
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Die
WO 2006/108096 A2 beschreibt eine Vorrichtung zur Messung und Beobachtung von Abständen, physikalischen Eigenschaften und Phasenübergängen von Licht, das von einer Oberfläche eines Ringresonators reflektiert wird. In dieser internationalen Patentanmeldung werden insbesondere unterschiedliche Möglichkeiten der Ausbildung einer reflektierenden oder teilweise reflektierenden Oberfläche eines Ringresonators beschrieben.
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Die
US 7,019,847 B1 beschreibt einen Biosensor, der ein Feld aus Poren aufweist. Dieses Feld dient der Aufnahme einer ersten biologischen Entität. Als erste biologische Entität kann insbesondere ein Antikörper oder ein DNA-Strang eingesetzt werden. Der derart ausgestaltete Biosensor ist in der Lage, eine zweite biologische Entität zu detektieren. Bei dieser zweiten biologischen Entität kann es sich beispielsweise um ein Antigen oder um einen komplementären DNA-Strang handeln. Folglich findet gemäß der Lehre dieses US-Patents eine chemische Interaktion der zu detektieren Substanz mit dem Biosensor statt.
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Die
US 5,663,790 A beschreibt einen Ringresonator, der zur Bindung spezifischer Substanzen über klassische Antigen-Antikörper-Wechselwirkungen vorgesehen ist.
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Die
WO 2012/143072 A1 beschreibt einen optischen Sensor mit Ringresonatoren, die zumindest teilweise mit einer aktiven Schicht eines Beschichtungsmaterials beschichtet sind. Das Beschichtungsmaterial dient dazu, selektiv eine Gruppe von Substanzen zu absorbieren, die die zu detektierende Substanz umfasst.
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Die
US 7,796,262 B1 beschreibt Ringresonatoren, auf die Rezeptoren aufgebracht sind, welche dann einen Analyten binden können.
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Die
US 7,145,660 B2 beschreibt ein optisches Sensorsystem mit Ringresonatoren, das dazu dient, beispielsweise Druckveränderungen, Temperaturveränderungen oder die Anwesenheit einer chemischen Substanz zu ermitteln. Die Anwesenheit einer chemischen Substanz wird über die Reaktion zweier Stoffe ermittelt, wobei einer der beiden Reaktionspartner am Sensor angeordnet ist.
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Die
US 7,957,617 B2 beschreibt ein optisches Gerät, bei dem eine Oberfläche eines Ringresonators beispielsweise durch geordnete Aggregate von Molekülen gebildet werden kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Sensor anzugeben, der für eine Vielzahl zu detektierender Substanzen einsetzbar ist und dennoch eine schnelle und einfache Detektion dieser Substanzen ermöglicht. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges Verfahren zur Detektion einer Substanz anzugeben.
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Diese Aufgabe wird mit einem optischen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Ein derartiger optischer Sensor weist mindestens einen optischen Wellenleiter auf, in welchen Licht eingekoppelt werden kann. Dies kann auf beliebigen, dem Fachmann allgemein bekannten Wegen erfolgen. Der Sensor weist ferner eine Vielzahl von Ringresonatoren auf, wobei jeder Ringresonator mit dem optischen Wellenleiter optisch gekoppelt ist und wobei zumindest ein Teil der Ringresonatoren eine Oberflächenfunktionalisierung in Form einer Oberflächenstrukturierung des jeweiligen Ringresonators aufweist.
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Eine derartige Oberflächenstrukturierung kann beispielsweise lithographisch bei der Herstellung des optischen Sensors erfolgen, insbesondere wenn dieser als Chip ausgestaltet ist. Dies hat den Vorteil, dass dann keine Auftragung sensibler Rezeptormoleküle mit hoher Genauigkeit auf den entsprechenden Sensor erfolgen muss. Auf diese Weise werden sowohl mitunter teure Rezeptormoleküle eingespart als auch Zeit- und Kostennachteile durch ein entsprechend genaues Auftragen vermieden. Da Rezeptormoleküle häufig nur eine begrenzte Lebensdauer haben, ist es auf diese Weise zudem möglich, die Lebensdauer des optischen Sensors zu verlängern.
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Wie bereits oben erwähnt, erfolgt die optische Kopplung zwischen einem einzelnen Ringresonator und dem Wellenleiter vorzugsweise unter Ausnutzung evaneszenter Felder durch evaneszente Kopplung. Hierzu muss der Abstand zwischen dem Ringresonator und dem Wellenleiter hinreichend klein sein. Er beträgt vorzugsweise rund 1 μm oder weniger, insbesondere 500 nm oder weniger, insbesondere 200 nm oder weniger und ganz besonders 100 nm oder weniger.
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Der Sensor ist ferner mit mindestens einem lichtempfindlichen Element ausgestattet, welches zur Detektion von aus dem optischen Wellenleiter austretendem Licht dient, wenn der Sensor bestimmungsgemäß eingesetzt wird.
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Der erfindungsgemäß beanspruchte Sensor zeichnet sich dadurch aus, dass die Oberflächenstrukturierung dafür vorgesehen und eingerichtet ist, auf bestimmte Eigenschaften eines zu detektierenden Moleküls zu reagieren. Dabei ist die Oberflächenstrukturierung nicht spezifisch für nur ein einzelnes bestimmtes Molekül, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist, sondern kann grundsätzlich die bestimmten zu detektierenden Eigenschaften bei einer Vielzahl unterschiedlicher Moleküle detektieren. Ferner ist der Sensor mit einer Vielzahl unterschiedlicher Oberflächenstrukturierungen ausgestattet, so dass er verschiedene bestimmte Eigenschaften zu detektierender Moleküle erfassen kann.
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Im Unterschied zu aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren wird also nicht auf die spezifische Detektion eines einzelnen Moleküls abgestellt, sondern auf Detektion bestimmter Eigenschaften von Molekülen, die bei den unterschiedlichsten Molekülen vorkommen. Aus dem Detektionsmuster, das einen molekularen Fingerabdruck widerspiegelt, lässt sich dann bestimmen, welches Molekül mittels des Sensors detektiert wurde.
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Vorzugsweise handelt es sich bei den bestimmten zu detektierenden Eigenschaften eines zu identifizierenden Moleküls um molekulare Charakteristika wie etwa eine dreidimensionale Struktur oder eine bestimmte molekulare Gruppe innerhalb des zu detektierenden Moleküls. Alternativ oder zusätzlich können die bestimmten zu detektierenden Eigenschaften auch Rückschlüsse auf die molekulare Masse des zu detektierenden Moleküls gestatten. So kann beispielsweise durch zeitaufgelöste Messungen die Adsorptions- und/oder die Desorptionsdynamik der zu detektierenden Moleküle ermittelt werden. Aus diesen Dynamiken bzw. kinetischen Ergebnissen lassen sich dann Rückschlüsse über die molekulare Masse der zu detektierenden Moleküle ziehen. Denn die Beweglichkeit bzw. die Diffusionsgeschwindigkeit eines Moleküls hängt von dessen Größe bzw. molekularen Masse ab. Da zum Auslesen einzelner Ringresonatoren vorzugsweise keine thermische Modulation notwendig ist, bietet das beschriebene Verfahren eine vergleichsweise hohe Zeitauflösung, so dass auch Adsorptions- und/oder die Desorptionsdynamiken hinreichend schnell und genau bestimmt werden können. Auf diese Art und Weise können Moleküle mit gleicher funktioneller Gruppe, aber unterschiedlicher Masse voneinander unterschieden werden.. Zu den dreidimensionalen Strukturen eines Moleküls zählt beispielsweise die Sekundärstruktur eines Proteins oder Peptids. So kann der Sensor beispielsweise dafür eingesetzt werden, Proteine oder Peptide, welche eine überwiegend α-helikale Struktur aufweisen, von Proteinen oder Peptiden zu unterscheiden, welche überwiegend eine β-Faltblatt-Struktur aufweisen. Auch andere dreidimensionale Strukturmerkmale von Molekülen lassen sich auf diese Weise gezielt detektieren.
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Unter den bestimmten molekularen Gruppen, welche als bestimmte Eigenschaften detektierbar sind, fallen beispielsweise OH-Gruppen, Carboxylgruppen, Sulfhydrylgruppen, allgemein polare Gruppen, allgemein hydrophobe oder aliphatische Gruppen, aromatische Gruppen, Metallionen oder -atome, Amingruppen, Peroxidgruppen, Hydrazine, Nitrogruppen, Alkylgruppen, Arylgruppen, Chlorate und/oder Carbonylgruppen.
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Vorzugsweise weist jeder der mit einer Oberflächenstrukturierung versehene Ringresonator genau eine einzige Oberflächenstrukturierung, also eine Oberflächenstrukturierung genau einen Typs, auf. Auf diese Weise lässt sich besonders vorteilhaft feststellen, welches detektierte Signal mit welchen bestimmten Eigenschaften des zu detektierenden Moleküls in Verbindung gebracht werden kann.
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Vorzugsweise ist jeder Ringresonator des optischen Sensors mit einer entsprechenden Oberflächenstrukturierung versehen. Für eine möglichst große Aussagekraft sind dabei vorzugsweise möglichst viele verschiedene Oberflächenstrukturierungen auf einem einzigen Sensor vorgesehen. Dies ermöglicht einen möglichst umfassenden Einsatz eines entsprechenden Sensors. Es kann aber auch vorgesehen sein, mehrere Ringresonatoren mit der gleichen Oberflächenstrukturierung auszustatten, um durch einen Vergleich der entsprechenden Ringresonatoren untereinander eine höhere Genauigkeit bei einer Detektionsmessung zu erzielen.
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In einer weiteren Variante sind verschiedene Ringresonatoren des optischen Sensors mit der gleichen Oberflächenstrukturierung in unterschiedlicher Konzentration versehen. Auf diese Weise ist es möglich, eine genauere Konzentrationsbestimmung der zu detektierenden Substanz durchführen zu können. Als Konzentration der in Form einer Oberflächenstrukturierung realisierten Oberflächenfunktionalisierung ist dabei die Häufigkeit des Oberflächenstrukturmusters pro Flächenabschnitt zu verstehen. Das heißt, hier entspricht die Konzentration der durch die Oberflächenstrukturierung erreichten Belegungsdichte der zur Verfügung stehenden Oberfläche des jeweiligen Ringresonators. Mit einem derart ausgestalteten optischen Sensor lassen sich sowohl in qualitativer als auch in quantitativer Hinsicht sehr genaue Ergebnisse in Bezug auf die zu detektierenden Substanzen erzielen.
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Vorzugsweise ist der optische Sensor dazu vorgesehen und derart eingerichtet, dass zumindest ein Teil der Ringresonatoren simultan ausgelesen werden kann. Vorzugsweise handelt es sich bei dem simultanauslesbaren Teil der Ringresonatoren um diejenigen Ringresonatoren, die mit einer Oberflächenstrukturierung ausgestattet sind. Es ist aber auch denkbar, verschiedene Gruppen von Ringresonatoren zu bilden, wobei die einzelnen Ringresonatoren einer Gruppe jeweils gleichzeitig ausgelesen werden, die einzelnen Gruppen von Ringresonatoren jedoch nacheinander. Besonders bevorzugt ist jedoch eine Variante, in der sämtliche Ringresonatoren des optischen Sensors simultan ausgelesen werden. Dies hat neben einem Zeitvorteil auch den Vorteil, dass thermische Drifteffekte vernachlässigbar sind. Denn beim gleichzeitigen Auslesen aller Ringresonatoren sind sämtliche Ringresonatoren den gleichen thermischen Effekten ausgesetzt.
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Eine besonders vorteilhafte Variante zur simultanen Auslesung sämtlicher Ringresonatoren liegt dann vor, wenn jedem Ringresonator genau ein optischer Wellenleiter zugeordnet ist und wenn die optischen Wellenleiter derart angeordnet sind, dass zumindest dasjenige Licht, das aus einem Teil der optischen Wellenleiter austritt, gleichzeitig von dem lichtempfindlichen Element detektiert werden kann. Das heißt, die optischen Wellenleiter treffen vorzugsweise an räumlich voneinander getrennten Positionen an dem lichtempfindlichen Element auf. Das lichtempfindliche Element sollte in dieser Variante derart ausgestaltet sein, dass es eine ortsaufgelöste Lichtdetektion ermöglicht. Sofern dies nicht der Fall ist, bietet sich der Einsatz verschiedener lichtempfindlicher Elemente an. Beispielsweise kann jedem optischen Wellenleiter ein einzelnes lichtempfindliches Element zugeordnet werden. Auch ist es denkbar, jeweils mehreren optischen Wellenleitern zusammen ein lichtempfindliches Element zuzuordnen, sofern dieses grundsätzlich eine ortsaufgelöste Lichtdetektion ermöglicht, dies jedoch nicht für sämtliche optische Wellenleiter bewerkstelligen kann, sondern nur für einen Teil davon.
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Um ein besonders einfaches Einkoppeln von Licht in den bzw. die optischen Wellenleiter zu ermöglichen, kann zudem vorgesehen sein, dass sämtliche optische Wellenleiter auf ihrer Eingangsseite zu einem einzigen optischen Wellenleiter gekoppelt sind. Auf diese Weise würde dann in den einzelnen optischen Wellenleiter auf Eingangsseite an lediglich einer Position Licht eingekoppelt werden müssen, welches dann an entsprechenden Verzweigungsstellen auf die verschiedenen optischen Wellenleiter aufgeteilt würde.
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Eine besonders einfache Detektion verschiedener Lichtsignale aus unterschiedlichen Wellenleitern ist dann möglich, wenn eine der Anzahl der Wellenleiter entsprechende Anzahl von Photodioden als lichtempfindliche Elemente eingesetzt wird. Eine ebenfalls bevorzugte Variante der Ausgestaltung des lichtempfindlichen Elementes liegt dann vor, wenn das lichtempfindliche Element aus mehreren zeilenförmig nebeneinander angeordneten lichtempfindlichen Einheiten aufgebaut ist. Die Anzahl der nebeneinander angeordneten lichtempfindlichen Einheiten entspricht dabei vorzugsweise der Anzahl der Wellenleiter des Sensors. Grundsätzlich können aber auch mehr lichtempfindliche Einheiten in dem lichtempfindlichen Element vorgesehen sein, als es Wellenleiter gibt. In diesem Fall würden einfach einige der lichtempfindlichen Einheiten nicht mit einem Signal versorgt werden oder mehrere Einheiten das gleiche Lichtsignal detektieren. Ferner ist es denkbar, dass weniger lichtempfindliche Einheiten vorgesehen sind, als es Wellenleiter gibt. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn mehrere entsprechende lichtempfindliche Elemente eingesetzt werden, um ein separiertes Auslesen sämtlicher optischer Wellenleiter zu ermöglichen. Ein geeignetes lichtempfindliches Element ist beispielsweise ein zeilenförmiger CCD-Sensor (CCD steht für den englischen Fachbegriff „charge-coupled device”). Dabei ist es möglich, das lichtempfindliche Element als elektronische Komponente direkt auf einen Mikrochip zu integrieren, auf dem auch die Ringresonatoren und der bzw. die optischen Wellenleiter angeordnet sind. Dadurch lassen sich die Fertigungskosten eines entsprechenden Sensors signifikant reduzieren, denn so ist eine Fertigung des lichtempfindlichen Elements im selben Prozess wie eine Fertigung der Ringresonatoren und des optischen Wellenleiters möglich. Außerdem kann dann auf eine Lichtauskopplung zum lichtempfindlichen Element hin verzichtet werden. Dies reduziert den zur effizienten Lichtdetektion erforderlichen Justageaufwand erheblich.
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Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird auch mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Ein solches Verfahren zur Detektion einer Substanz in einer Probe weist die nachfolgend erläuterten Schritte auf. Zunächst wird Licht in einen Wellenleiter eines optischen Sensors gemäß den vorherigen Erläuterungen eingestrahlt. Anschließend erfolgt eine intensitäts- und wellenlängenabhängige Detektion des aus dem Wellenleiter austretenden Lichts zum Erhalt von Lichtinformation, wobei die detektierte Lichtinformation jeweils einem Ringresonator des optischen Sensors zugeordnet wird. Auf diese Weise lässt sich ein Hintergrundspektrum des optischen Sensors erstellen. Sofern der optische Sensor mehr als einen Wellenleiter aufweist, erfolgt die Detektion von Licht für jeden der vorhandenen Wellenleiter. Nun wird der optische Sensor mit einer Probe, welche eine zu detektierende Substanz enthält, in Kontakt gebracht. Dadurch kommt es zur Bindung der Moleküle der zu detektierenden Substanz an die Oberfläche einzelner Ringresonatoren des optischen Sensors. In der Folge verändert sich der Brechungsindex einzelner Ringresonatoren und damit auch die detektierte Wellenlänge, bei der die Resonanzbedingungen in einzelnen Ringresonatoren erfüllt sind. Dies wird durch eine abermalige intensitäts- und wellenabhängige Detektion des aus dem oder den Wellenleiter(n) austretenden Lichts ermittelt. Abermals wird auf diese Weise Lichtinformation erhalten, die jeweils einem Ringresonator des optischen Sensors zugeordnet wird. Nun kann die Lichtinformation, die vor Inkontaktbringen des Sensors mit der Probe ermittelt wurde, mit der Lichtinformation, die nach Inkontaktbringen des Sensors mit der Probe ermittelt wurde, verglichen werden. Auf diese Art und Weise ist es möglich, einen molekularen Fingerabdruck der zu detektierenden Substanz zu erstellen. Dieser molekulare Fingerabdruck spiegelt Bindungsprofile wieder, welche sich aus einer Bindung der zu detektierenden Substanz an einzelne Ringresonatoren des optischen Sensors ergeben. Dieser molekulare Fingerabdruck wird dazu verwendet, die zu detektierende Substanz zu identifizieren. Der Begriff „Identifikation” umfasst dabei auch solche Fälle, in denen keine eineindeutige Substanzidentifikation, wohl aber eine Zuordnung einer Substanz zu einer bestimmten Klasse bzw. Kategorie erfolgen kann.
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Neben einer quantitativen Identifikation ist dabei auch eine Quantifizierung der an den optischen Sensor gebundenen Substanz möglich, da die Veränderung des effektiven Brechungsindizes der einzelnen Ringresonatoren im Wesentlichen proportional zu der Anzahl der Moleküle ist, die an die jeweiligen Ringresonatoren gebunden haben.
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Vorzugsweise erfolgt eine Identifikation der zu detektierenden Substanz mit Hilfe eines neuronalen Netzes. Ein solches neuronales Netz kann mittels molekularer Fingerabdrücke bekannter Substanzen, welche in einer Datenbank hinterlegt werden, trainiert werden. Eine neue, unbekannte Substanz kann dann durch einen Vergleich ihres molekularen Fingerabdrucks (der sich, wie erläutert, aus dem Bindungsprofil der Substanz auf dem optischen Sensor ergibt) als eine bereits bekannte Substanz identifiziert werden oder aber als eine Substanz, die einer bereits bekannten Substanz verhältnismäßig ähnlich ist. Auf diese Weise lassen sich bei einer hinreichend großen Anzahl untersuchter Proben auch unbekannte Testsubstanzen hinreichend genau klassifizieren, um letztlich eine Identifikation zu ermöglichen.
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Neben der Verwendung neuronaler Netze kommen auch andere, aus der Chemometrie bekannte mathematische und statistische Methoden in Frage, um eine Zuordnung bestimmter molekularer Fingerabdrücke bzw. Bindungsprofile zu entsprechenden Substanzen zu ermöglichen. Dabei ist insbesondere der Einsatz von dem Fachmann allgemein bekannter Verfahren wie etwa der Hauptkomponentenanalyse, der Clusteranalyse und der multiplen linearen Regression denkbar.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Detektion des aus dem Wellenleiter bzw. aus den Wellenleitern austretenden Lichts für eine Vielzahl von Ringresonatoren, insbesondere für sämtliche Ringresonatoren des optischen Sensors, gleichzeitig. Wie bereits erläutert, bringt dies neben einem zeitlichen Vorteil auch den Effekt mit sich, dass thermische Drifteffekte vernachlässigt werden können.
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Weitere bevorzugte Ausgestaltungen des oben erläuterten Sensors sind in analoger Weise auch auf das beanspruchte Verfahren übertragbar und umgekehrt.
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Mit dem beschriebenen optischen Sensor bzw. dem erläuterten Verfahren zur Detektion einer Substanz wird es möglich, unterschiedliche Moleküle auch ohne geeignete spezifische Rezeptorbeschichtungen zu detektieren. Ferner können mehr unterschiedliche Substanzen detektiert werden, als Ringresonatoren auf dem optischen Sensor vorhanden sind. Denn der hier beschriebene optische Sensor ermöglicht keine 1:1-Detektion einzelner Substanzen, sondern eine Detektion einzelner Eigenschaften von Substanzen, die dann zur Identifikation der jeweiligen Substanz eingesetzt werden. Insofern ist der optische Sensor für zahlreiche Substanzen anlernbar.
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Dies ermöglicht den Einsatz gleich aufgebauter Sensoren für unterschiedliche Anwendungen, weshalb es nicht mehr erforderlich ist, spezifische Sensoren für einzelne Anwendungen herzustellen. Vielmehr ist eine Massenproduktion generischer Sensoren möglich, die dennoch unterschiedliche Substanzen detektieren und identifizieren können. Dies ist naturgemäß mit einer signifikanten Kostenreduzierung bei der Produktion der optischen Sensoren verbunden. Durch das erläuterte Training geeigneter neuronaler Netze wird zudem ein flexibel erweiterbares Messsystem bereitgestellt. Schließlich weisen die beschriebenen optischen Sensoren auch einen skalierbaren Dynamikbereich auf und können für unterschiedliche Konzentrationsbereiche der zu detektierenden Substanzen hergestellt werden.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1A eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines optischen Sensors, der mehrere Ringresonatoren aufweist;
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1B eine schematische Darstellung von Lichtinformationsdaten, welche mittels des optischen Sensors der 1A erhalten wurden, und
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2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines optischen Sensors.
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Die 1A zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines optischen Sensors 1 mit einer Vielzahl von Ringresonatoren 2, von denen der besseren Übersichtlichkeit halber nur einige wenige mit dem entsprechenden Bezugszeichen versehen sind.
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Jedem Ringresonator 2 ist dabei ein optischer Wellenleiter zugeordnet, der in der 1A nicht gesondert dargestellt ist. An ihrer Oberfläche weisen die Ringresonatoren 2 jeweils eine Oberflächenfunktionalisierung auf. Diese ist bei jedem der dargestellten Ringresonatoren 2 unterschiedlich. Die Oberflächenfunktionalisierungen dienen dazu, auf bestimmte molekulare Gruppen innerhalb eines zu detektierenden Moleküls als molekulare Charakteristika zu reagieren. Bei sechzehn Ringresonatoren 2 lassen sich auf diese Art und Weise sechzehn molekulare Charakteristika eines Moleküls erfassen. Je nach Ausprägung dieser molekularen Charakteristika im detektierten Molekül können für die einzelnen Ringresonatoren stärkere oder schwächere Signale oder aber gar keine Signale detektiert werden.
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Die 1B zeigt in schematischer Weise Lichtinformationsdaten, welche beim Auslesen der einzelnen optischen Wellenleiter, die den Ringresonatoren 2 des in der 1A dargestellten optischen Sensors 1 zugeordnet sind, erhalten wurden. Die Höhe der einzelnen Balken 3, von denen wiederum der besseren Übersichtlichkeit halber nur einige wenige mit dem entsprechenden Bezugszeichen versehen sind, spiegeln dabei die Konzentration der einzelnen mittels der Ringresonatoren 2 ermittelten molekularen Charakteristika der zu detektierenden Substanz wieder. Mit anderen Worten ausgedrückt, geben die Balken 3 der 1B ein Bindungsprofil der zu detektierenden Substanz wieder, welches auch als molekularer Fingerabdruck bezeichnet werden kann. Jede einzelne Substanz erzeugt dabei einen unterschiedlichen molekularen Fingerabdruck bei bestimmungsgemäßer Detektion mit dem optischen Sensor 1, sofern dessen Ringresonatoren 2 mit Oberflächenfunktionalisierungen versehen sind, die zur Detektion der jeweiligen Substanz grundsätzlich geeignet sind.
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Das Bindungsprofil bzw. der molekulare Fingerabdruck wurde dabei durch simultane Erfassung der Gesamtheit aller Signale der optischen Wellenleiter des optischen Sensors der 1A ermittelt. Dieser molekulare Fingerabdruck bzw. die Gesamtheit der detektierten Signale wird nun in einem lernfähigen Speicher abgelegt. Nach einem Training des Systems, das mittels Detektion verschiedener Substanzen durchgeführt wird, wird eine Entscheidungsmatrix erhalten. Diese wird auf einem Mikrocontroller in einem Messgerät gespeichert, in welchem auch der optische Sensor aufgenommen ist. Anschließend kann diese Entscheidungsmatrix dazu dienen, auch unbekannte Substanzen sicher zu klassifizieren oder zu identifizieren. Diese Klassifizierung bzw. Identifikation erfolgt dabei auf der Grundlage des molekularen Fingerabdrucks der unbekannten Substanz. Wie erläutert, setzt sich dieser molekulare Fingerabdruck aus Signalen zusammen, die durch eine Interaktion einzelner molekularer Gruppen der unbekannten Substanz mit den Ringresonatoren 2 des optischen Sensors 1 erzeugt werden.
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Die 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines optischen Sensors mit drei Ringresonatoren 2. Jedem Ringresonator 2 ist ein individueller optischer Wellenleiter 4 zugeordnet. Die drei optischen Wellenleiter 4 sind auf einer Lichteingangsseite 5 des optischen Sensors 1 miteinander derart verbunden, dass in die optischen Wellenleiter 4 einzubringendes Licht nur an einer einzigen Stelle 6 an der Lichteingangsseite 5 der optischen Wellenleiter 4 eingekoppelt werden muss. Durch einen entsprechenden Knoten 7 wird eine im Wesentlichen gleichmäßige Aufteilung des eingekoppelten Lichts auf jeden der Wellenleiter 4 ermöglicht.
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Jeder optische Wellenleiter 4 weist einen im Wesentlichen linearen Abschnitt 40, 41, 42 auf. Im Bereich dieses linearen Abschnitts 40, 41, 42 ist der dem optischen Wellenleiter 4 zugeordnete Ringresonator 2 angeordnet. Der Abstand zwischen dem jeweiligen optischen Wellenleiter 4 und dem zugeordneten Ringresonator 2 beträgt dabei rund 1 μm.
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Es ist nicht erforderlich, dass die Ringresonatoren 2, wie in der 2 dargestellt, kreisförmig ausgestaltet sind. Vielmehr ist ebenfalls eine stadionförmige Ausgestaltung, die dem Fachmann unter dem englischen Fachbegriff „racetrack ring resonator” bekannt ist, denkbar, mittels derer ein größerer parallel verlaufender Abschnitt zwischen den einzelnen Ringresonatoren 2 und dem jeweils zugeordneten optischen Wellenleiter 4 realisierbar ist.
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Die einzelnen optischen Wellenleiter 4 sind anschließend auf dem optischen Sensor 1 derart geführt, dass sie in einem engen räumlichen Abstand zueinander an einer Lichtaustrittsseite 8 des optischen Sensors 1 enden. Dabei findet jedoch keine Kopplung zwischen den einzelnen optischen Wellenleitern 4 statt, so dass an der Lichtausgangsseite 8 jeder optische Wellenleiter 4 individuell auslesbar ist. Dies erfolgt vorliegend durch eine CCD-Zeile 9, welche an der Lichtausgangsseite 8 des optischen Sensors 1 direkt gegenüber zu den jeweiligen Enden der einzelnen optischen Wellenleiter 4 angeordnet ist.
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Die CCD-Zeile 9 ist in der Lage, die von den einzelnen optischen Wellenleitern 4 ausgesandte Lichtinformation ortsaufgelöst zu detektieren. Die einzelnen lichtempfindlichen Einheiten der CCD-Zeile 9 sind voneinander getrennt und in der 2 schwarz dargestellt.
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Auf diese Weise ist es möglich, Bindungsereignisse, die an den verschiedenen Ringresonatoren 2 erfolgt sind, unabhängig voneinander, aber dennoch gleichzeitig zu detektieren. Die jeweils detektierten Lichtintensitäten werden dann verwendet, um einen molekularen Fingerabdruck entsprechend der schematischen Darstellung der 1B zu erstellen und einer Substanz zuzuordnen. Anschließend kann dann eine Identifikation bzw. Klassifikation der detektierten Substanz erfolgen.
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Die in den Ausführungsbeispielen dargestellten Sensoren eignen sich zur Detektion einer Vielzahl unterschiedlicher Substanzen. Sie weisen dabei eine sehr hohe Sensitivität bei gleichzeitig hoher Selektivität auf. Dabei ist es nicht erforderlich, Rezeptormoleküle zu verwenden, welche nur für einzelne Substanzen spezifisch sind. Vielmehr sind die Sensoren aufgrund der generischen Oberflächenfunktionalisierung der einzelnen Ringresonatoren 2 im Wesentlichen universell einsetzbar.
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Beispielsweise kann ein Ausführungsbeispiel eines beschriebenen Sensors dazu eingesetzt werden, verschiedene Explosivstoffklassen voneinander zu unterscheiden. So können mit einem Sensor nitrobasierte Explosivstoffe (wie etwa Trinitrotoluol (TNT), Nitropenta (PETN) und Hexogen (RDX)) von peroxidbasierten Explosivstoffen (wie etwa Acetonperoxid (TATP)) und von Selbstlaboraten auf Chlorat- oder Ammonsalpeterbasis unterschieden werden.