Title:
Optisches Element und optisches Sensorsystem
Kind Code:
B3


Abstract:

Die Erfindung betrifft ein optisches Element mit mindestens einer Resonatorstruktur, die aus mindestens einem Material gebildet ist, das an der Oberfläche und/oder im Innern der mindestens einen Resonatorstruktur chemische Endgruppen (1, 2, 3, 4, 11, 12, 13) zur direkten Ankopplung von molekular selektiven Akzeptormolekülen (15) und/oder von funktionalen Molekülen (14, 16) und/oder Partikeln aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein optisches Sensorsystem, das mindestens ein derartiges optisches Element umfasst. Mit der Erfindung wird ein optisches Element bereitgestellt, das eine direkte Ankopplung einer sehr großen Anzahl von molekular selektiven Akzeptormolekülen (15), Fluoreszenz- oder Laserfarbstoffen (14), Quervernetzern (16) oder weiteren funktionalen Molekülen und/oder Partikeln an die mindestens eine Resonatorstruktur in jeweils einem einzigen Verfahrensschritt ermöglicht. Dies erlaubt die Herstellung von multifunktionalen Resonatorstrukturen, die Funktionen wie: molekulare Selektivität, Lasing oder Kreuzvernetzung aufweisen, in einem einzigen lithographischen Verfahren oder mit bekannten Formverfahren ohne komplexe Nachbehandlung, Weiterbehandlung oder weitere Verfahrensschritte.




Inventors:
Bog, Uwe (76189, Karlsruhe, DE)
Köber, Sebastian (42799, Leichlingen, DE)
Mappes, Timo, Dr. (76135, Karlsruhe, DE)
Mohamed, Sabry Abdel-Aliem (76131, Karlsruhe, DE)
Wienhold, Tobias (76135, Karlsruhe, DE)
Application Number:
DE102012110126A
Publication Date:
11/28/2013
Filing Date:
10/24/2012
Assignee:
Karlsruher Institut für Technologie, 76131 (DE)



Foreign References:
64900392002-12-03
201002273152010-09-09
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Claims:
1. Optisches Element mit mindestens einer Resonatorstruktur, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Resonatorstruktur aus mindestens einem Material gebildet ist, das an der Oberfläche und/oder im Innern der mindestens einen Resonatorstruktur chemische Endgruppen (1, 2, 3, 4, 11, 12, 13) zur direkten Ankopplung von molekular selektiven Akzeptormolekülen (15) und/oder von funktionalen Molekülen (14, 16) und/oder Partikeln aufweist.

2. Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die chemischen Endgruppen (12, 13) zur direkten Ankopplung von Fluoreszenz- oder Laserfarbstoffen (14) und/oder von Quervernetzern (16) vorgesehen sind.

3. Optisches Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Resonatorstruktur als Resonator für Flüstergaleriemoden ausgestaltet ist.

4. Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Resonatorstruktur als Resonator für Flüstergaleriemoden im sichtbaren Spektralbereich und/oder infraroten Spektralbereich und/oder im Bereich der Terahertz-Strahlung ausgestaltet ist.

5. Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Material als positiv oder negativ strukturierbares Material in einem lithographischen Herstellungsverfahren einsetzbar ist.

6. Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Material zumindest im sichtbaren und/oder infraroten Spektralbereich transparent ist.

7. Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Material mindestens ein Copolymer umfasst.

8. Optisches Element nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens ein Copolymer Methylmethacrylat als Monomer-Einheit umfasst.

9. Optisches Element nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Copolymer ausgewählt ist aus Poly(Methylmethacrylat-co-Methacrylsäure), Poly(Ethylen-co-Methylacrylat-co-Glycidylmethacrylat), Poly(Methylmethacrylat-co-Furfurylmethacrylat) oder Poly(Methylmethacrylat-co-Vinylmethacrylat).

10. Optisches Sensorsystem, umfassend
– eine Einrichtung zur Anregung der Abstrahlung von Licht aus mindestens einer Resonatorstruktur;
– mindestens ein optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 9;
– Mittel zur Zuführung und zur Ableitung eines Analyten zu/von der mindestens einen Resonatorstruktur; und
– eine Einrichtung zum Nachweis einer Frequenzverschiebung des von der mindestens einen Resonatorstruktur abgestrahlten Lichts.

Description:

Die Erfindung betrifft ein optisches Element mit mindestens einer Resonatorstruktur und ein optisches Sensorsystem, das mindestens ein derartiges optisches Element umfasst.

In der molekularen Sensorik, insbesondere der Biosensorik und der chemischen Sensorik, sind Sensoren erforderlich, die einen hochsensitiven und markerfreien Nachweis kleinster Inhaltsstoffmengen ermöglichen. Derartige Sensoren eignen sich dazu, um Inhaltsstoffe in einem Analyten wirkungsvoll nachzuweisen, aber auch um geringste Konzentrationen zuverlässig zu quantifizieren, oder um molekulare Wechselwirkungen zwischen ausgewählten Stoffen messtechnisch zu charakterisieren.

Eine besondere Herausforderung besteht hierbei nicht nur in der Entwicklung von hochempfindlichen Sensoren, sondern vor allem auch in einer hocheffektiven Oberflächenfunktionalisierung der Sensoren. Damit soll erreicht werden, dass nur gewünschte Inhaltsstoffe einen Anteil zum Sensorsignal beitragen, während alle anderen im Analyten vorhandenen Moleküle keinen störenden Einfluss auf das Messsignal ausüben. Um diese Anforderung zu erfüllen, wird hierzu bisher die Sensoroberfläche chemisch derart modifiziert, dass lediglich die nachzuweisenden Inhaltsstoffe hochselektiv ankoppeln, während die übrigen Bestandteile des Analyten keine Bindung mit der so bereitgestellten Oberfläche eingehen. Die chemische Modifikation beinhaltet hierbei die Immobilisierung von molekular selektiven Molekülen, die auch als molekular selektive Akzeptormoleküle bezeichnet werden, auf der Oberfläche des Sensors. In der Biosensorik werden oftmals Antikörper, Teile von Antikörpern, Antigene oder Proteine als Akzeptormoleküle eingesetzt.

Die hierfür erforderliche chemische Modifikation benötigt üblicherweise mehrere Verfahrensschritte, da die Sensoroberfläche kein direktes Ankoppeln der Akzeptormoleküle erlaubt. Dieser Umstand ist vor allem darauf zurückzuführen, dass, abhängig vom jeweils gewählten Sensorprinzip, die erforderlichen Herstellungsverfahren und Funktionsbedingungen die Materialauswahl zum Teil erheblich einschränken. Im Falle von optischen Resonatoren, die einen Einsatz von möglichst hochtransparenten und mikrostrukturierbaren Materialien voraussetzen, hat das zur Folge, dass auch die eingesetzten Funktionalisierungsverfahren kompatibel zu dieser Art von Material sein müssen. Je nach Art der Anwendung muss die chemische Modifikation zudem unter Umständen jeweils neu auf das individuell ausgewählte Akzeptormolekül angepasst werden.

Um die gewünschten Akzeptormoleküle an die Oberfläche des Sensors anbinden zu können, ist es normalerweise erforderlich über Zwischenreaktionen weitere chemische Modifikationen auf der Oberfläche durchzuführen. Auf diese Weise wird die Oberfläche so modifiziert, dass sie letztlich über passende Bindungsstellen für die entsprechenden Akzeptormoleküle verfügt, was einen erhöhten Aufwand und Einsatz von Ressourcen darstellt. Außerdem weist jede Zwischenreaktion je nach Wirkungsgrad eine Effizienz geringer als 100% auf, so dass nach jeder Zwischenreaktion ggf. in signifikantem Maße unmodifizierte Stellen auf der Oberfläche verbleiben, die sich nicht für die Ankopplung der Akzeptormoleküle eignen. Die Gesamtausbeute der Oberflächenfunktionalisierung ist daher auf diesem Wege beschränkt. Jede einzelne Zwischenreaktion muss darüber hinaus kompatibel zur jeweiligen Technologie des Sensors sein. Um strukturelle Beschädigungen, Oberflächendefekte oder gar eine Zerstörung des Sensors zu vermeiden, darf keine negative Beeinflussung der Leistungsfähigkeit des Sensors sowohl durch beabsichtigte chemische Modifikationen als auch durch ungewollte chemische Nebenreaktionen oder Verunreinigungen auftreten. Die Anbindung der Akzeptormoleküle erfolgt darüber hinaus normalerweise irreversibel. Somit lassen sich einmal für eine gewünschte Anwendung funktionalisierte Sensoren in aller Regel nach der Durchführung der Messung nicht mehr für andere Anwendungen einsetzen.

Optische Resonatoren für Flüstergaleriemoden bestehen aus einem transparenten dielektrischen Material und führen aufgrund ihrer Geometrie Licht entlang ihres Resonatorumfangs. Hierbei werden lediglich Lichtmoden mit definierten Wellenlängen, die als Flüstergaleriemoden bezeichnet werden, unterstützt, da für diese nach einem kompletten Resonatorumlauf die Voraussetzung für konstruktive Interferenz gemäß der Gleichung m·λr = n·U(1)erfüllt ist, in der n die Brechzahl des Resonatormaterials, U den Umfang des Resonators, m eine ganzzahlige Zahl und λr die Wellenlänge der geführten Lichtmoden bezeichnen. Der evaneszente Feldanteil der Lichtmoden ragt hierbei in die angrenzende Umgebung des Resonators hinein und steht auf diese Weise mit ihr in Wechselwirkung. Ändert sich in unmittelbarer Nähe des Resonators die Brechzahl des umgebenden Mediums, so ändert sich auch die effektive Brechzahl der geführten Lichtmoden, wodurch es zu einer spektralen Verschiebung der Lichtmoden kommt.

In der Sensorik stellt ein wässriger oder gasförmiger Analyt diese Umgebung dar. Lagern sich an der Resonatoroberfläche und/oder im Volumen des Resonators Inhaltsstoffe aus dem Analyten, insbesondere Moleküle, Partikel, Viren oder Bakterien an, so verursacht diese Anlagerung eine Änderung der Brechzahl und somit eine Spektralverschiebung der Lichtmoden. Aus der Größe der Verschiebung kann hierbei auf die Anzahl der Ankopplungsereignisse und damit die Konzentration der ausgewählten Inhaltsstoffe im Analyten zurück geschlossen werden. Über das zeitliche Verhalten der Verschiebung lässt sich darüber hinaus auch die Affinität der an der Ankopplung an den Resonator beteiligten Stoffe ermitteln. Da Flüstergaleriemoden bei hohen Resonatorgüten spektral sehr schmalbandig sind, lassen sich kleinste spektrale Verschiebungen auflösen. Flüstergaleriemoden-Resonatoren eignen sich daher insbesondere für hochsensitive Messungen und sind damit sehr interessant für die molekulare Sensorik.

In der molekularen Sensorik werden unterschiedliche Resonatorgeometrien für Flüstergaleriemoden eingesetzt (siehe den Übersichtsartikel von Hunt et al., Nanoscale, Vol. 2, S. 1544–1559, 2010), insbesondere

  • – sphärische Resonatoren, siehe Vollmer et al., Nature Methods, Vol. 5, Iss. 7, S. 591–596, 2008,
  • – toroidale Resonatoren, siehe US 2007/0269901 A1 und Armani et al., Science, Vol. 317, S. 783–786, 2007,
  • – chipbasierte Ringresonatoren, siehe Barrios et al., Sensors, Vol. 9, S. 4751–4765, 2009), sowie
  • – Kapillaren, siehe Suter et al., Biosensors and Bioelectronics, Vol. 23, S. 1003 ff., 2008, und Li et al., Applied Physics Letters, Vol. 97, S. 011105 ff., 2010).

Aufgrund der hohen optischen Transparenz im jeweiligen Spektralbereich eignen sich hierfür insbesondere Silizium Si, Quarzglas SiO2, Siliziumnitrid Si3N4 und Polymere als Resonatormaterialien. Um hohe optische Güten zu erzielen, wird vor allem Quarzglas für Flüstergaleriemoden-Resonatoren eingesetzt. Grossmann et al. beschreiben in Appl. Phys. Lett., Vol. 96, S. 013303 ff., 2010, Mikroresonatoren aus Polymethylmethacrylat (PMMA) mit einer Güte von über 106, die sich durch eine hohe Transparenz im sichtbaren Spektralbereich auszeichnen.

Bei den siliziumbasierten Resonatortypen (Si, SiO2, Si3N4) ist eine direkte kovalente Ankopplung von Akzeptormolekülen nicht möglich, da bei diesen Materialien keine geeigneten chemischen Endgruppen vorliegen. Diese müssen vielmehr zuvor über mindestens einen zusätzlichen chemischen Schritt erzeugt werden. In der Regel kommt hierzu eine Silanisierung zum Einsatz.

Die US 2012/0107177 A1 und Hunt et al., a. a. O., beschreiben ein Verfahren zur Oberflächenfunktionalisierung von Quarzglastoroiden, das eine Ankopplung von Akzeptormolekülen in drei Schritten ermöglicht. In einem ersten Schritt wird hierzu die Resonatoroberfläche hydroxyliert, um in einem zweiten Schritt die Sensoroberfläche über eine Silanisierung zu aminisieren, bevor in einem letzten Schritt die Ankopplung der Akzeptormoleküle erfolgt. Nachteilig hierbei ist der Einsatz von Substanzen wie Wasserstoffperoxid H2O2, Toluol oder Schwefelsäure H2SO4. Zudem sind hierzu mehrere Vakuumprozesse erforderlich, so dass das gesamte Verfahren Stunden bis Tage dauert.

Bei Bienstmann et al., Proceedings of SPIE, Vol. 7220, S. 72200O-1 ff., 2009, wird die Silizium-Oberfläche des Resonators mittels Silanisierung mit Epoxygruppen versehen. In einem weiteren Schritt werden danach weitere Moleküle an die Epoxygruppen angekoppelt, um die Oberfläche mit Amino- oder Carboxylgruppen zu versehen, an die dann die Ankopplung von Akzeptormolekülen stattfindet. Ebenso erfordert die Herstellung von Sensoren gemäß Washburn et al., Analytical Chemistry, Vol. 81, S. 9499–9506, 2009, die ebenfalls aus Silizium aufgebaut sind, mehrere aufwändige Zwischenschritte.

Auch an Sensoroberflächen aus Si3N4 kann eine Ankopplung von Akzeptormolekülen nur über mindestens einen Zwischenschritt erfolgen. Jedoch müssen zuvor, wie in Barrios et al., Optics Letters, Vol. 33, S. 708 ff., 2008, beschrieben, in einem weiteren Schritt auf Si3N4 natürlich vorkommende Oxide mit Flusssäure HF entfernt werden, um eine Kopplung von Glutaraldehyd auf dieser Oberfläche zu ermöglichen, an das letztlich die Akzeptormoleküle angebunden werden.

Die Immobilisierung von Akzeptormolekülen kann auch nichtkovalent erfolgen, wenn keine passende Endgruppe zur kovalenten Kopplung vorliegt. Dadurch werden im Allgemeinen die Anforderungen an die chemische Modifikation der Sensoroberfläche verringert, allerdings weist diese Art der Oberflächenfunktionalisierung meist erheblich verschlechterte Resultate auf. Hierzu werden Moleküle eingesetzt, die eine hohe Physisorption an festen Flächen besitzen. Diese Moleküle kleben quasi auf vielen Oberflächen und fungieren als Haftvermittler (Mediatoren) für die Akzeptormoleküle. An die Mediatormoleküle lassen sich Akzeptormoleküle ankoppeln, und zwar entweder vor oder nach deren Immobilisierung. Somit sind auch hier mindestens zwei Prozessschritte erforderlich, nämlich die Ankopplung der Akzeptormoleküle an die Mediatormoleküle sowie die Ankopplung der Mediatormoleküle an die Sensoroberfläche, wobei insbesondere die Ankopplung der Akzeptormoleküle an die Mediatormoleküle in weitere chemische Teilprozesse unterteilt sein kann.

Die nichtkovalente Ankopplung besitzt zahlreiche weitere Nachteile. Die Anhaftung der Mediatormoleküle basiert lediglich auf schwachen intermolekularen Wechselwirkungen mit der Sensoroberfläche, insbesondere auf Van-der-Waals- oder elektrostatischen Kräften. Diese Anbindung lässt sich somit auch sehr leicht wieder lösen. Dies ist vor allem dann ungeeignet, wenn der Sensor in eine fluidische Infrastruktur integriert ist, wo Fluidströme des Analyten die eingesetzten Moleküllagen wieder abscheren können. Darüber hinaus bleibt bei dieser Art der Ankopplung undefiniert, wie viele Moleküle auf der Sensoroberfläche immobilisiert werden bzw. bleiben, da die Anlagerung der Mediatormoleküle statistisch erfolgt, da sie nicht an eine vordefinierte Anzahl von Bindungspartnern, die durch die Sensoroberfläche bereitgestellt werden, gekoppelt ist. Weiterhin ist die Bindung der Akzeptormoleküle an die Mediatormoleküle ungerichtet und somit ihre Ausrichtung in den Analyten ebenfalls statistisch, was zu nicht reproduzierbaren Sensitivitäten zweier identisch behandelter Sensoren führen kann. Darüber hinaus werden nicht alle Moleküle als Bindungspartner für den jeweils nachfolgenden molekularen Koppelschritt fungieren, da bei einer besonders ungünstigen Ausrichtung aufgrund sog. sterischer Einflüsse der Zugang zur Bindungsstelle verwehrt ist. In der praktischen Anwendung sind daher bei dieser Vorgehensweise die Kopplungseffizienzen bei wiederholter Durchführung der Ankopplungsprozesse nicht reproduzierbar, so dass letztlich die Oberflächenfunktionalisierung nicht reproduzierbar ist. Weiterhin wird die Auswahl an potentiellen molekular selektiven Akzeptormolekülen durch die geringe Anzahl an verfügbaren und vor allem mit den jeweiligen Akzeptormolekülen kompatiblen Mediatormolekülen stark eingeschränkt, wodurch wiederum die Auswahl von praktischen Anwendungen einschränkt wird. Aus diesen Gründen ist die kovalente Kopplung von Molekülen an den Sensor der nichtkovalenten Kopplung vorzuziehen.

Nichtkovalente Ankopplungsstrategien sind aus Armani et al., a. a. O., und aus Chao et al., IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 12, S. 134 ff., 2006, bekannt. In Armani et al. werden Protein G und Biotin eingesetzt, um einen Antikörper bzw. Streptavidin anzukoppeln. Während Proteine wie Protein G eine brauchbare, wenn auch undefinierte Haftung auf einer Vielzahl von Oberflächen aufweisen, ist dies bei Biotin in der Regel nicht der Fall. Bei Chao et al. kommt das Protein BSA (bovines Kälberserum) zum Einsatz, das über synthetisch angekoppeltes Biotin als Akzeptormolekül zur Detektion von Streptavidin verfügt. Da sich an BSA nur eine begrenzte Anzahl an Akzeptormolekülen ohne chemische Modifikation anbinden lässt, eignet sich dieser Ansatz nicht für einen praktischen Einsatz, da er nur eine begrenzte Anzahl von Anwendungen ermöglicht. Guo et al., Proceedings of Spie, Vol. 5517, S. 152 ff., 2004, setzen denselben Ansatz bei Resonatoren aus Polystyrol ein, da sich Polystyrol nicht für die chemische Modifikation zur kovalenten Ankopplung von Akzeptormolekülen eignet.

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Element mit mindestens einer Resonatorstruktur und ein optisches Sensorsystem, das mindestens ein derartiges optisches Element umfasst, vorzuschlagen, die die genannten Nachteile und Einschränkungen nicht aufweisen.

Insbesondere soll ein optisches Element bereitgestellt werden, das auf möglichst einfache Weise eine Ankopplung einer großen Anzahl von molekular selektiven Akzeptormolekülen und/oder von Partikeln an die Oberfläche und/oder in das Innere der mindestens einen Resonatorstruktur ermöglicht.

Weiterhin soll ein optisches Element bereitgestellt werden, das die Ankopplung von funktionalen Molekülen, insbesondere von Fluoreszenz- oder Laserfarbstoffen und/oder von Quervernetzern an die Oberfläche und/oder in das Innere der mindestens einen Resonatorstruktur auf einfache Weise ermöglicht.

Diese Aufgabe wird im Hinblick auf das optische Element durch den Gegenstand des Anspruchs 1 und im Hinblick auf das optische Sensorsystem durch den Gegenstand des Anspruchs 10 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Ein erfindungsgemäßes optisches Element weist mindestens eine Resonatorstruktur auf, die vorzugsweise als Resonator für Flüstergaleriemoden vorliegt. Im Fall, dass die mindestens eine Resonatorstruktur mindestens zwei Resonatoren umfasst, besitzt sie den Vorteil, dass sie bei entsprechender Auslegung der mindestens zwei Resonatoren nur eine einzige Wellenlänge von kohärenter Strahlung emittiert oder ein paralleles Auslesen mehrerer Sensorsignale ermöglicht. Bevorzugte Resonatorgeometrien sind insbesondere Ringe, Scheiben, Toroide, Kugeln, Kelche oder Kapillaren.

Die mindestens eine erfindungsgemäße Resonatorstruktur ist aus mindestens einem Material gebildet, das ein direktes und vorzugsweise flexibles Ankoppeln von molekular selektiven Akzeptormolekülen und/oder Partikeln, bevorzugt in einem einzigen Verfahrensschritt, ermöglicht. Eine als Sensor ausgelegte Resonatorstruktur eignet sich daher zur selektiven Detektion nachzuweisender molekularer Substanzen, insbesondere von Proteinen, Antikörpern, DNA-Sequenzen, Arzneiwirkstoffen oder Biomarkern, sowie von nachzuweisenden Partikeln, insbesondere von Mikropartikeln, Nanopartikeln, Viren oder Bakterien. Die Möglichkeit des direkten Ankoppelns von molekular selektiven Akzeptormolekülen macht weitere chemische Zwischenschritte, die sonst auf eine Modifikation zumindest von Teilen des mindestens einen Materials der mindestens einen Resonatorstruktur gerichtet sind, entbehrlich.

Erfindungsgemäß wird ein Material eingesetzt, das ausgewählte molekulare Endgruppen aufweist, die diese Eigenschaft ermöglichen. Die chemischen Endgruppen des Materials werden vorzugsweise so gewählt, dass die mindestens eine Resonatorstruktur für eine große Anzahl von Anwendungen flexibel einsetzbar ist, um ohne wesentliche Änderungen für eine große Bandbreite an molekular selektiven Akzeptormolekülen bzw. anderen funktionalen Molekülen und/oder Partikeln möglichst direkt per Click-Chemie ankoppelbar zu sein.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das Material, aus dem die mindestens eine Resonatorstruktur gebildet ist (Resonatormaterial), mindestens ein Copolymer, das auch als Heteropolymer bezeichnet wird. Unter einem Copolymer wird ein Polymer verstanden, das aus mindestens zwei verschiedenartigen Monomer-Einheiten zusammengesetzt ist. Nach J. Buddrus, Grundlagen der Organischen Chemie, Walter de Gruyter, 4. Aufl., 2011, S. 899, werden Copolymere in fünf Klassen unterteilt, die anhand eines binären Copolymers, das aus zwei unterschiedlichen Comonomeren A und B aufgebaut ist, veranschaulicht werden:

  • 1. Statistische Copolymere, in denen die Verteilung der beiden Monomeren in einer Kette zufällig ist (AABBBABAABABBAB....);
  • 2. Gradientcopolymere, wie statistische Copolymeren, jedoch mit einem veränderlichem Anteil eines Monomers im Verlauf der Kette (AAAAAABAABBAABABBBAABBBBBB);
  • 3. Alternierende Copolymere mit einer regelmäßigen Anordnung der Monomere entlang der Kette (ABABABABABABABABABAB....);
  • 4. Blockcopolymere, die aus längeren Sequenzen (Blöcken) jedes Monomers bestehen (AAAAAAAAABBBBBBBBBBBB...);
  • 5. Pfropfcopolymere, bei denen Blöcke eines Monomers auf das Gerüst eines anderen Monomers aufgepfropft sind.

Erfindungsgemäß weist die mindestens eine Resonatorstruktur an ihrer Oberfläche und/oder in ihrem Innern vorzugsweise eine Vielzahl von chemischen Endgruppen auf, die zur direkten Ankopplung von Molekülen und/oder Partikeln dienen. Durch die Wahl der chemischen Endgruppen wird festgelegt, ob und welche molekular selektiven Akzeptormoleküle und/oder Partikel sich an die Oberfläche und/oder im Innern des Sensors ankoppeln lassen. Die Ankopplung des jeweiligen Moleküls und/oder Partikels erfolgt in einem einzigen Verfahrensschritt und erlaubt vorzugsweise möglichst flexibel die Ankopplung einer großen Bandbreite von Molekülen und/oder Partikeln.

In einer besonderen Ausgestaltung sind auf der Oberfläche und/oder im Innern der mindestens einen Resonatorstruktur Kopplungsstellen vorgesehen, über die sich weitere funktionale Moleküle und/oder Partikel kovalent und somit fest in die Polymerstruktur anbinden lassen. Besonders vorteilhaft ist, dass sich durch Ankopplung von Fluoreszenz- oder Laserfarbstoffen unter Vermeidung einer Agglomeration der Farbstoffe aktive Resonatorstrukturen bzw. Laser herstellen lassen. Damit werden über eine geschickte Wahl und Modifikation des Resonatormaterials optische Resonatorstrukturen in einem einzigen Verfahrensschritt als inhärent für eine Sensorik funktionalisierte Mikrolaser ausgeführt. Weitere Möglichkeiten bestehen in der Integration funktionaler Endgruppen zur Vermeidung von optischen Verlustkanälen, insbesondere von Singulett- oder Triplett-Oxidations-Quenchern, oder von Quervernetzern zur Ausbildung einer Kreuzvernetzung des Resonatormaterials zur Verminderung des Quellverhaltens des Polymers in wässrigen Lösungen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung weisen die Copolymere im Hinblick auf ihren Einsatz in einem optischen Element eine hohe optische Transparenz im sichtbaren Spektralbereich auf. Darüber hinaus sind auch Copolymere geeignet, die in einem andern Spektralbereich, bevorzugt im Bereich der Infrarot- und Terahertzstrahlung, transparent sind.

Besonders bevorzugt werden solche Copolymere eingesetzt, die sich als strukturierbare Materialien eignen, d. h. die sich durch ein lithographische Verfahren, insbesondere mittels Teilchenstrahlung, bevorzugt Elektronanstrahllithographie, und elektromagnetischer Strahlung, bevorzugt Röntgenlithographie, UV-Lithographie oder Zweiphotonenlithographie, strukturieren lassen. Lithographisch strukturierbare Materialien sind durch eine Polymerisation von Monomeren mit bereits vorhandenen Koppelstellen erhältlich, insbesondere durch radikalische oder kationische Reaktionsmechanismen. Dieser Ansatz erlaubt durch eine flexible Einstellung der Zusammensetzung sowohl eine Festlegung der Art als auch der Anzahl an Koppelstellen im Polymer und darüber hinaus dessen Materialeigenschaften in Hinblick auf die Erzeugung der Resonatoren, insbesondere im Hinblick auf deren thermisches Verhalten, und ihren Betrieb, etwa in Bezug auf deren Quellverhalten in Flüssigkeiten.

Die im Material enthaltenen Koppelstellen dienen vorzugsweise zur Ankopplung nach dem Konzept der sog. Click-Chemie gemäß H. C. Kolb, M. G. Finn, K. B. Sharpless, Click-Chemie: Diverse chemische Funktionalität mit einer Handvoll guter Reaktionen, Angewandte Chemie, Bd. 113, S. 2056 ff., 2001. Dieses Konzept beschreibt Gruppen von molekularen Reaktionspartnern, die unter milden Reaktionsbedingungen eine effiziente, selektive und spezifische Reaktion miteinander eingehen, um auf diese Weise unter Normalbedingungen und unter ausschließlichem Einsatz von unbedenklichen Lösungsmitteln, insbesondere Wasser, stabile Verbindungen zu erzeugen.

Unter diese Reaktionen fallen auch sog. Diels-Alder-Cyclo-Additionen, die eine thermische oder photoinduzierte Rückreaktion und somit eine Defunktionalisierung des Resonators erlauben, z. B. die Reaktion zwischen Maleinsäuredimethylester und Furan für eine thermische Reversibilität. Weitere Beispiele für Reaktionen der Click-Chemie sind dipolare Cycloadditionen, z. B. zwischen Alkinen und Aziden, nichtaldolartige Carbonylreaktionen, z. B. die Peptidbindung, Additionen an Mehrfachbindungen, z. B. die Reaktion von Thiol mit Vinylgruppen (Michael-Additionen) oder nucleophile Substitutionen, z. B. die Ringöffnungsreaktionen von Epoxiden.

Über eine passende Auswahl der Endgruppe wird damit die Ankopplung von molekular selektiven Akzeptormolekülen thermisch reversibel ausgeführt, womit sich einmal angekoppelte Akzeptormoleküle thermisch wieder entkoppeln und durch andere Akzeptormoleküle ersetzen lassen. Auf diese Weise werden thermisch rekonfigurierbare Sensoren bereitgestellt, die sich wieder verwendbar für verschiedene Anwendungen einsetzen lassen.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird als Material für die mindestens eine Resonatorstruktur ein Copolymer eingesetzt, das Methylmethacrylat (MMA) als monomeren Baustein umfasst und das daher aufgrund seiner molekularen Ähnlichkeit zu PMMA weitgehend dieselben anwendungsspezifischen Vorteile besitzt. Hierfür eignet sich insbesondere das Copolymer Poly(Methylmethacrylat-co-Methacrylsäure), das wie PMMA über eine hohe Transparenz im optischen Spektralbereich verfügt und sich über lithographische Verfahren, insbesondere mittels Elektronenstrahllithographie, Röntgenlithographie oder Lithographie mit tiefer UV-Strahlung, strukturieren lässt. Im Gegensatz zu reinem PMMA verfügt dieses Copolymer neben den Methacrylat-Seitengruppen zusätzlich über Carboxyl-Gruppen, die die Eigenschaft aufweisen, dass sich hieran über Click-Chemie direkt und mit hoher Ausbeute molekular selektive Akzeptormoleküle ankoppeln lassen.

Besonders vorteilhaft ist hierbei die Möglichkeit, Moleküle und/oder Partikel mit Amino-Endgruppen direkt anzukoppeln. Die Bindung zwischen Carboxyl- und Aminogruppen ist allgemein unter der Bezeichnung Peptidbindung bekannt. Peptide sind kurzkettige Untereinheiten von Proteinen, die aus einer kleinen Anzahl aus Aminosäuren bestehen. In Folge lässt sich an eine derart ausgestaltete Sensoroberfläche eine große Bandbreite an amino-terminierten Molekülen ohne chemische Zwischenmodifikationen ankoppeln, bevorzugt Peptide, Proteine, Antikörper, Teile von Antikörpern oder DNA-Sequenzen. Eine große Bandbreite an amino-terminierten Molekülen und Partikel sind hierfür biologisch verfügbar oder synthetisch herstellbar. Auf diese Weise sind mit diesem Copolymer, das in einigen unbedenklichen organischen Lösungsmitteln (sog. Safer Solvents) lösbar ist, optische Resonatorstrukuren herstellbar, an die sich direkt und ohne chemische Zwischenschritte flexibel eine Vielzahl an vor allem für die Biosensorik wichtigen molekular selektiven Akzeptormolekülen ankoppeln lassen. Ebenso vorteilhaft ist das Copolymer Poly(Ethylen-co-Methylacrylat-co-Glycidylmethacrylat), das über Epoxid-Endgruppen verfügt, an die ebenfalls Aminogruppen direkt angekoppelt werden können. Weitere bevorzugte Polymer sind Poly(Methyl¬methacrylat-co-Furfurylmethacrylat) und Poly(Methyl¬methacrylat-co-Vinylmethacrylat).

In einer weiteren Ausgestaltung eignen sich erfindungsgemäße optische Elemente nicht nur für die Verwendung mit flüssigen Analyten, die sich insbesondere für die Biosensorik eignen, sondern auch für gasförmige Analyten, insbesondere für die molekulare Gassensorik. In dieser Ausgestaltung bewirkt eine An- und/oder Einlagerung von zu detektierenden Gasmolekülen an und/oder in das polymere Resonatorstrukturvolumen die spektrale Verschiebung der Flüstergaleriemoden. Durch die An-/Einlagerung kommt es neben einer Brechzahländerung auch zu einer geometrischen Veränderung, die sich insbesondere in einer räumlichen Ausdehnung der Resonatorstrukturen äußert. Es gilt auch hier, dass mit dem gewählten Material für die Resonatorstrukturen direkt und ohne weitere Verfahren Gassensoren hergestellt werden können. Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber dem Stand der Technik, wo gemäß der US 2012/0120398 A1 oder nach Lin et al., Fiber and Integrated Optics, Vol. 31, S. 263 ff., 2012, für die Funktion des Mikroresonators als Gassensor eine zusätzliche Hilfsschicht erforderlich ist, da das SiO2, aus dem dort die Flüstergalerie-Strukturen gebildet sind, keine Einlagerung von Gasmolekülen erlaubt. Da bei den erfindungsgemäßen Resonatorstrukturen die Einlagerung der Gasmoleküle zudem im gesamten Volumen erfolgt, ergeben sich in der Regel höhere Sensitivitäten im Vergleich zum Einsatz von Hilfsschichten.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein optisches Sensorsystem, das mindestens die folgenden Komponenten aufweist:

  • - eine Einrichtung zur Anregung der Abstrahlung von Licht aus mindestens einer Resonatorstruktur, bevorzugt eine Laserdiode;
  • – mindestens ein erfindungsgemäßes optisches Element mit mindestens einer Resonatorstruktur;
  • – Mittel zur Zuführung und zur Ableitung eines Analyten zu/von der mindestens einen Resonatorstruktur, bevorzugt eine mikrofluidische Infrastruktur; und
  • – eine Einrichtung zum Nachweis einer spektralen Verschiebung des von der mindestens einen Resonatorstruktur abgestrahlten Lichts.

Die vorliegende Erfindung weist insbesondere die folgenden Vorteile auf. Aufgrund der inhärent im mindestens einen Material vorhandenen chemischen Endgruppen kann direkt und ohne chemische Zwischenschritte die Ankopplung einer sehr großen Anzahl von molekular selektiven Akzeptormolekülen und/oder Partikeln bzw. weiteren funktionalen Molekülen und/oder Partikeln an die mindestens eine Resonatorstruktur erfolgen. Hierdurch wird nicht nur signifikant Zeit für die Oberflächenfunktionalisierung eingespart, sondern auch bisher benötigte Chemikalien in Form von Mediatormaterialien, Lösungsmitteln oder Reinigungsmitteln.

Auf technisch bzw. zeitlich aufwändige Verfahren, insbesondere Vakuum-, Plasma- oder Hochtemperaturverfahren kann im Rahmen der erfindungsgemäßen Oberflächenfunktionalisierung verzichtet werden. Das hier vorgestellte Sensorkonzept erlaubt vielmehr eine Ankopplung von Akzeptormolekülen bei Raumtemperatur und -druck. Als Lösungsmittel wird insbesondere Wasser eingesetzt. Das Material für die Resonatorstrukturen ist zudem direkt mit standardlithographischen Verfahren strukturierbar oder mit bekannten Verfahren, insbesondere thermischem Aufschmelzen und Abformen, formbar, was, insbesondere im Gegensatz zu Siliziumbasierten Strukturen, eine direkte, parallele und massenproduktionstaugliche Fabrikation von multifunktionalen Sensorstrukturen aus diesem Material ermöglicht.

Mit dieser Erfindung kann demnach eine große Bandbreite von Anwendungen bedient werden:

  • – im Bereich der Medizin insbesondere in Analysegeräten für Blut, Urin, Speichel usw. für den Einsatz im Labormaßstab bzw. direkt am Patienten vor Ort, bevorzugt zur Detektion von Biomarkern, Blutinhaltsstoffen, Antikörpern oder Allergenen, insbesondere zur Erfassung des Impfzustandes oder der Blutzusammensetzung bei Patienten, zur Einstellung von Medikamentierungen am Patienten oder zum Drogenscreening;
  • – in der Pharmazeutik für Sensoren zur Prozessüberwachung, bevorzugt zur Detektion von pharmazeutischen Inhaltsstoffen, insbesondere zur mengenmäßige Einstellung von Wirkstoffen in einem Medikament, für Sensoren zur Entwicklung von Arzneimitteln, insbesondere zur Charakterisierung von neuartigen Arzneiwirk- und -Trägerstoffen;
  • – in der Chemie oder Biochemie für Sensoren zur Untersuchung molekularer Wechselwirkungen, insbesondere zur Entwicklung von Arznei-Wirkstoffen sowie von (bio-)chemischen Reaktionen, etwa von enzymatischen Reaktionen;
  • – in der Umwelttechnik für Sensoren zur Detektion von pathogenen Verunreinigungen und Giftstoffen, insbesondere von Proteinen, Krankheitserregern, Dioxinen oder Pestiziden, in der Trinkwasserinfrastruktur sowie in natürlichen und künstlichen Gewässern;
  • – in der Lebensmitteltechnik für Sensoren zur Analyse von Inhaltsstoffen und zur Detektion von Verunreinigungen oder Giftstoffen in Nahrungsmitteln bzw. in der Prozesskette, sowohl im Labormaßstab als auch direkt vor Ort im Lebensmittelvertrieb.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und der Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:

1 Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer erfindungsgemäßen Resonatorstruktur in Form von zwei optischen Mikroresonatoren für Flüstergaleriemoden;

2 a) Allgemeine chemische Strukturformel eines Copolymers als Material für erfindungsgemäße Resonatorstrukturen
b) Chemische Strukturformel von Poly(Methyl¬meth¬acrylat-co-Methacrylsäure);

3 Schematische Darstellung a) eines erfindungsgemäßen Mikroresonators in allgemeiner Form und b) eines aktiven Biosensors auf Basis eines erfindungsgemäßen Mikroresonators;

4 Funktionsschema eines optischen Sensorsystems, das mindestens einoptisches Element mit mindestens einer Resonatorstruktur aufweist;

5 Spektrale Verschiebung einer ausgesuchten Lasermode eines biotinylierten Copolymer-Mikrolasers unter Ankopplung von Streptavidin mit unterschiedlichen Konzentrationen;

6 Emissionsspektrum eines Copolymer-Mikrolasers vor und während der Ankopplung von Streptavidin mit einer Konzentration von 500 nMol.

Herstellung von erfindungsgemäßen optischen Mikroresonatoren

1 zeigt eine Anordnung mit zwei erfindungsgemäßen optischen aktiven Resonatoren aus dem Copolymer Poly(Methylmethacrylat-co-Methacrylsäure), ausgeführt als Mikroresonatoren für Flüstergaleriemoden. Die rotationssymmetrischen kelchförmigen Resonatorstrukturen befinden sich auf Siliziumsockeln. Die Visualisierung der Anordnung erfolgte mit einem Rasterelektronenmikroskop. Durch die Unterätzung des Silizium-Trägerchips mit XeF2 verbleiben die mittels Elektronenstrahlschreiber strukturierten kreisförmigen Copolymerstrukturen auf Siliziumsockeln. Die Kelchform ist ein Ergebnis eines finalen thermischen Aufschmelzverfahrens zum Erreichen glatter Resonatoroberflächen mit hoher optischer Güte.

Die Herstellung der aktiven Copolymer-Mikroresonatoren (Mikrolaser) erfolgte gemäß den folgenden Verfahrensschritten:

  • – Reinigung des Siliziumwafers
    – Spülen mit Aceton;
    – Spülen mit Isopropanol;
    – Trockenblasen mit Stickstoff;
  • – Aufbringen des Haftvermittlers Hexamethyldisilazan (HMDS) im Konvektionsofen;
  • – Aufbringen des Copolymers Poly(Methylmethacrylat-co-Methacrylsäure) mittels Rotationsbeschichtung mit einer Zielschichtdicke von ~1,2 μm, wobei im vorligenden Fall eine Dotierung des in Lösung befindlichen Copolymers mit dem Farbstoff Pyrromethene 597 durch Beimischen mittels eines Magnetrührers vorgenommen wurde;
  • – Ausbacken mittels Heizplatte (Pre-Exposure-Bake);
  • – Strukturierung des Copolymers mittels Elektronenstrahlschreiber in Form von runden Scheiben;
  • – Nasschemische Entwicklung mit einer Lösung aus einem Keton und Isopropylalkohol;
  • – Spülen mit Isopropanol;
  • – Trockenätzen des Siliziums mit XeF2 zum Unterätzen der Resonatoren;
  • – Thermisches Aufschmelzen der Resonatoren mittels Heizplatte;
  • – Vereinzeln des Siliziumwafers in einzelne Chips.

Fluoreszenzgestützte Erprobung der Funktionalisierung der Oberflächen der mikrooptischen Resonatoren

Zum Nachweis der Funktionsfähigkeit der Mikroresonatoren als Sensoren wurde als molekular selektives Akzeptormolekül Biotin ausgewählt, das eine selektive Ankopplung des Proteins Streptavidin ermöglicht. Am Biotin befindet sich Polyethylenglycol (PEG), das eine nichtspezifische Ankopplung unerwünschter Moleküle unterbinden soll. Die Ankopplung an die Carboxylgruppen (-CO2H) der Poly(Methylmethacrylat-co-Methacrylsäure) erfolgt über eine Aminogruppe (NH2-) am anderen Ende des PEGs. Um die Ankopplung zu erlauben, müssen die Carboxylgruppen mit 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimid (EDC) und Sulfo-N-Hydroxysuccinimid (sulfo-NHS) aktiviert werden. In dieser Erprobung wurden passive Resonatoren eingesetzt, um mit dem Fluoreszenzmikroskop nur die Fluoreszenz des Streptavidins beobachten zu können und kein Störsignal durch einen vorhandenen Laserfarbstoff zu erhalten.

Die Immobilisierung von Biotin-PEG23-NH2 erfolgte gemäß den folgenden Verfahrensschritten:

  • – Reinigung der Mikroresonatoren mittels Abblasen der Mikroresonatoren mit Stickstoff;
  • – Immersion der Mikroresonatoren in EDC (10 mmolar, Lösungsmittel: Destilliertes Wasser); Einwirkdauer: 10 Minuten;
  • – Beigabe von sulfo-NHS (10 mmolar, Lösungsmittel: Destilliertes Wasser) im Volumenverhältnis 1:1 zur EDC Lösung; Einwirkdauer: 10 Minuten
  • – Beigabe von Biotin-PEG23-NH2 (10 mmolar, Lösungsmittel: Destilliertes Wasser) im Volumenverhältnis 1:1:1 zur EDC und sulfo-NHS-Lösung; Einwirkdauer: 120 Minuten;
  • – Spülen mit destilliertem Wasser

Um die Ankopplung des Streptavidin an die biotinylierten Mikroresonatoren zu verifizieren, wurde mit dem roten Fluoreszenzmarker Cy3 markiertes Streptavidin gemäß den folgenden Verfahrensschritten eingesetzt:

  • – Immersion der Mikroresonatoren in einer 500 nmolaren Lösung Streptavidin (Lösungsmittel: PBS (Phosphatgepufferte Salzlösung)); Einwirkdauer: 30 Minuten
  • – Spülen in reinem PBS.

2a) zeigt die allgemeine chemische Zusammensetzung eines erfindungsgemäßen funktionalen Copolymers, der aus monomeren Untereinheiten 1 bis n mit relativen Mengenverhältnissen a, b, c, ..., 1-a-b-c-... besteht. Die relativen Mengen können Werte zwischen 0 (0% Anteil) und 1 (100% Anteil) annehmen. Die monomeren Untereinheiten weisen verschiede Kopplungsstellen F auf, die sich zur Anbindung von funktionalen Molekülen oder Partikeln, insbesondere selektive molekulare Bindungsstellen, Laserfarbstoffe und Quervernetzer eignen. Die Anordnung der Untereinheiten ist beliebig, darunter statistisch, alternierend, blockweise, gradientenweise oder homopolymer. Die Zusammenkopplung der einzelnen monomeren Untereinheiten erfolgt ebenfalls auf beliebige Weise. X1, X2, X3, ..., Xn bezeichnen ein beliebiges atomares oder molekulares Grundgerüst einer monomeren Untereinheit, R bezeichnet beliebige atomare oder molekulare Seiten- bzw. Zwischengruppen einer monomeren Untereinheit.

In 2b) ist die Strukturformel des besonders bevorzugten und im vorliegenden Ausführunsgbeispiel eingesetzten Copolymers Poly(Methyl¬meth¬acrylat-co-Methacrylsäure), das Methylmethacrylat (MMA) als Monomer-Einheit umfasst, angegeben.

3a) zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Resonatorstruktur, ausgeführt als Mikroresonator für Flüstergaleriemoden, hergestellt aus einem Copolymer mit vier verschiedenen Arten 1, 2, 3, 4 von funktionalen Seitengruppen, die in 3a) in unterschiedlichen Konzentrationsverhältnissen vorliegen.

In 3b) ist ebenfalls schematisch ein Ausführungsbeispiel eines aktiven Biosensors auf Basis eines erfindungsgemäßen Mikroresonators dargestellt. Der Biosensor ist gebildet aus einem Copolymer mit drei funktionalen Seitengruppen. Neben der funktionalen Endgruppe 11, die als Bindungsstelle für eine kovalente Ankopplung eines molekular selektiven Akzeptormoleküls 15 für eine sensorische Anwendung dient, sind weiterhin im gesamten Vollmaterial eine funktionale Endgruppe 12 zur kovalenten Ankopplung eines Laserfarbstoffs 14 und eine funktionale Endgruppe 13 zur kovalenten Ankopplung eines Quervernetzers 16 vorhanden.

Optische Charakterisierung von aktiven Resonatoren und Nachweis der Sensorfunktionalität

Um die Funktionsfähigkeit des erfindungsgemäßen Sensors zu belegen, wurden aktive Mikroresonatoren (Mikrolaser) eingesetzt, die nach dem o. g. Verfahren hergestellt und biotinyliert wurden. Die Mikrolaser ließen sich in einem optischen Sensorsystem mittels eines Freistrahlverfahrens anregen und auslesen, was den Einsatz, im Vergleich zu passiven Resonatoren, bei denen in der Regel eine stark ausgedünnte Glasfaser stabil und hochgenau positioniert werden muss, erheblich vereinfacht.

Die Anregung der Mikrolaser, die sich auf einem Chip befinden, erfolgte gemäß 4 mit einer Pumpenergiequelle 21, für die hier ein gepulster Nd:YVO4-Laser mit einer Arbeitswellenlänge von 532 nm (grün), einer Pulsdauer von 10 ns und einer Repetitionsrate von 20 eingesetzt wurde, und der mittels einer fokussierenden Optik 23 auf die Chipoberfläche fokussiert wurde. Die Leistung des Nd:YVO4-Lasers ließ sich mit einer optischen Leistungssteuerung 22, wofür hier eine Kombination aus einem Polarisator und einer Pockelszelle gewählt wurde, stufenlos einstellen.

Der Chip befand sich in einer mikrofluidischen Kammer 24, deren Frontseite aus einem Glasfenster besteht. Mittels Spritzenpumpen wird ein Analyt über einen Einlass 24a in die Kammer 24 gepumpt und über einen Auslass 24b aus ihr ausgeleitet. Das Aufsammeln des Laserlichtes der Mikrolaser geschah mit Hilfe eines 20× Mikroskopobjektivs 25. Das so aufgefangene Licht wurde als Freistrahl über einen optischen Langpassfilter 26 in ein Spektrometer 28 geleitet und das Spektrum mit einem Labor-PC visualisiert und gespeichert. Mittels eines Kippspiegels 27 konnte der Freistrahl optional auf eine CCD-Kamera 29 umgelenkt werden, wodurch eine Visualisierung des Chips möglich wurde, insbesondere um den Pumpstrahl auf die Mikrolaser auszurichten.

Die Kammer 24 wurde mit Wasser geflutet, und einer der Mikrolaser mit dem Pumplaser 21 zur Abstrahlung von Laserlicht im Freistrahlverfahren angeregt. Anschließend wurde zu einer definierten Zeit, die in 5 als Zeitpunkt 0 s definiert ist, ungelabeltes Streptavidin mit einer definierten Konzentration in die Kammer 24 gepumpt. Der komplette Vorgang wurde mit dem Spektrometer 28 aufgezeichnet. Im Anschluss wurde aus dem Spektrum aus 6 eine Lasermode selektiert und, wie in 6 dargestellt, deren temporaler spektraler Verlauf, ausgewertet durch Anwendung einer Lorentz-Fitting-Methode, aufgezeichnet.

In 5 sind gemessene Verschiebungen der Wellenlänge an biotinylierten Copolymer-Mikrolasern bei 500 nMol und 50 nMol Streptavidin dargestellt. Zum Zeitpunkt 0 s wird das Streptavidin injiziert.

6 zeigt das Spektrum des Mikrolasers für die Messung der 500 nMol Streptavidin aus 5 zum Zeitpunkt 0 s. In der rechten oberen Ecke dargestellt ist die mit einem Pfeil hervorgehobene ausgewählte Laser-Resonanz zum Zeitpunkt 0 s und 100 s. Deutlich ist die Verschiebung des Resonanzen zu längeren Wellenlängen hin zu erkennen.