Die Kombination aus miniaturisierten Gradienten-Index (GRIN)-Linsen und einem optischen Mikroresonator ermöglicht eine sehr kompakte und kostengünstige Form eines Brechungsindexsensors. Durch gezielte Oberflächenmodifikation mit biochemischen Modellassays kann dieses Systems in der In-vitro-Diagnostik und Sensorik für Anwendungen in den Bereichen Medizintechnik, E-Health, Umwelt und Lebensmittelanalytik eingesetzt werden. Der Brechungsindexsensor könnte beispielsweise in tragbaren Messgeräten für die Point-of-Care-Diagnostik oder Vor-Ort-Analytik eingesetzt werden. Dadurch lassen sich Messwerte schnell und ohne teure und personalintensive Laboranalysen gewinnen.
Compact Hybrid Optical Sensor for Refractive Index Measurement
A combination of miniaturised gradient-index (GRIN) lenses and an optical micro-resonator have been used to create a very compact and competitively-priced refractive index sensor. Suitably-modified surfaces using biochemical model assays enable this system to be used for in-vitro diagnostics and for sensory applications in a range of medical disciplines, E-health, environmental and food analyses. The refractive index sensor can readily be adapted for use in portable instruments in point-of-care diagnostics or on-site analyses. Its use enables rapid measurements to be obtained without a need for expensive and labour-intensive laboratory analyses.
Der in der vorliegenden Arbeit beschriebene Sensor detektiert die Änderung des Brechungsindexes innerhalb eines optischen Resonators, die durch Bindung von spezifischen Analytmolekülen an Antikörpern an Grenzflächen eines Resonators hervorgerufen wird.
1 Herstellung und Aufbau des Mikroresonators
Ein Hauptbestandteil dieses Mikroresonators sind Gradienten-Index (GRIN)-Linsen. Diese Linsen zeichnen sich durch ihre spezielle Form (Stab-/Zylinderlinsen) und ihre Kompaktheit (Länge von 1 mm bis 10 mm und Durchmesser zwischen 0,5 mm und 4 mm) bei gleichzeitig sehr guten optischen Eigenschaften aus [1]. Die Brechkraft einer GRIN-Linse unterscheidet sich grundlegend im Vergleich zu herkömmlichen Sammellinsen. Bei einer konvexen Sammellinse werden die Lichtstrahlen durch den Brechungsindexunterschied beim Ein- und Austritt aus der Linse gebrochen. Maßgeblich für diesen Effekt ist neben dem Brechungsindexsprung die spezielle Form der Linse, der sogenannte Schliff. GRIN-Linsen sind dagegen plan und fokussieren einen eintretenden Lichtstrahl durch eine kontinuierliche radiale Brechzahländerung im Linsenmaterial. Abbildung 1 zeigt den Unterschied zwischen beiden Linsentypen:
Der Hauptvorteil dieser fokussierenden Wirkung innerhalb der GRIN-Linse sind die planen Oberflächen, welche die Implementierung einer GRIN-Linse beziehungsweise die Miniaturisierung eines optischen Aufbaus durch GRIN-Linsen erheblich vereinfachen. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, den Fokus direkt auf der Oberfläche zu platzieren. Werden solche GRIN-Linsen als Objektiv verwendet, befinden sich Moleküle auf der Linsenoberfläche automatisch immer im Fokus. Somit entfällt bei diesem Aufbau die Fokussuche vollständig und der Aufbau stellt ein einfaches, robustes und kostengünstiges selbstfokussierendes optisches Detektionssystem dar.
Abb. 1: Vergleich von GRIN-Linse (links) mit radialen Brechungsindexverlauf (Mitte) und einer herkömmlichen Sammellinse (rechts)
GRIN-Optiken zeichnen sich durch günstige Herstellungskosten aus. Sie werden durch Ionenaustauschprozesse in speziellen Gläsern mit einem Natriumoxidanteil von etwa 25 % hergestellt [2]. Je nach gewünschten Eigenschaften (Brechungsindexgradienten, numerischer Apertur, Größe, Durchmesser) werden diese Natriumionen durch Silber-, Thallium- oder Lithiumionen substituiert. Die Substitution bestimmt den Brechzahlunterschied zwischen Mitte und Rand der GRIN-Optik. Bei einem Austausch mit Silber- oder Thalliumionen ergibt sich eine große Brechzahländerung und somit eine geringe Periodenlänge der Lichtstrahlen bei gleichzeitig hoher numerischer Apertur (0,6). Eine Substitution mit Lithiumionen dagegen besitzt eine große Periodenlänge und eine geringe numerische Apertur (NA), wie sie in Endoskopen verwendet wird [3]. GRIN-Optiken können also durch die Variation der austauschenden Ionen für unterschiedliche optische Anwendungen ausgelegt werden.
Abbildung 2 zeigt die häufigsten GRIN-Anwendungen. Dazu zählt hauptsächlich die Kollimierung von Lichtstrahlen.
Abb. 2: Hauptanwendungsgebiete von GRIN-Linsen: Kollimierung von Lichtstrahlen einer divergent strahlenden LED (links) und Einkopplung von parallelen, kollimierten Strahlen in eine Faser (rechts)
Um GRIN-Linsen als Teil eines Resonators verwenden zu können, müssen die gegenüberliegenden Oberflächen des Resonators mit einer teiltransparenten reflektierenden Schicht bedampft werden. Dies ist ein Beispiel für eine stetig zunehmende Bedeutung von dünnen Schichten in der Life Science [4]. Grundsätzlich stehen hierfür verschiedene PVD-Verfahren (engl.: physical vapour deposition, deutsch: physikalische Gasphasenabscheidung) wie Elektronenstrahlverdampfen, thermisches Verdampfen oder Sputtern zur Verfügung. Wichtig ist hierbei, dass der Beschichtungsprozess die innere Verteilung der Substitutionsatome (und damit die Brechungseigenschaften der Linse) unverändert lässt. Durch die moderaten Prozesstemperaturen hat sich das Sputtern als geeignete Methode zur Beschichtung der GRIN-Linsen mit definierten Metallschichten herausgestellt.
Die Kathodenzerstäubung (englisch: Sputtern) zählt seit Jahrzehnten zu den wichtigsten Beschichtungsverfahren für unterschiedliche Oberflächen. Dabei werden Edelgasionen (meist Argon) eines Vakuum-plasmas durch Anlegen einer Gleichspannung auf ein sogenanntes Target, welches aus dem gewünschten Schichtmaterial besteht, beschleunigt. Durch die Impulsübertragung des Aufpralls gehen herausgeschlagene Teilchen des Targets in die Gasphase über und kondensieren auf dem Substrat. Um eine möglichst reine und gleichmäßige Schicht zu erhalten, ist, wie bei allen Beschichtungsvarianten, ein Hochvakuum in der Beschichtungsanlage erforderlich.
Die von den Autoren angewendete Methode des HF-Sputterns (engl.: radio frequency sputtering, deutsch: Hochfrequenzsputtern) ist ein spezielles Sputterverfahren, bei der die Gleichspannung durch kapazitives Anlegen eines hochfrequenten elektrischen Wechselfeldes erzeugt wird. Durch die unterschiedlichen Mobilitäten der Elektronen und Ionen im Plasma entsteht ein Ungleichgewicht des Stroms der Elektronen und der Ionen durch die Elektroden. Diese Asymmetrie erzeugt im zeitlichen Mittel eine negative Vorspannung (BIAS) am Target. Diese beschleunigt analog zum DC-Sputtern die Ionen auf das Schichtmaterial des Targets und bewirkt die Schichtabscheidung auf dem gegenüberliegenden Substrat.
Die Sputterrate kann weiter erhöht werden, wenn zusätzlich zum elektrischen Feld ein magnetisches Feld hinter dem Target anlegt wird. Diese Technologie wird als Magnetronsputtern bezeichnet. Durch das Magnetfeld bewegen sich Elektronen auf einer spiralförmigen Bahn und legen eine längere Wegstrecke bis zum Target zurück. Dies führt zu einer erhöhten Anzahl an Stößen von Elektronen mit Edelgasatomen, wodurch eine stärkere Ionisation des Sputtergases bewirkt wird (Abb. 3, erster Schritt). Damit wiederum erhöhen sich die Anzahl der herausgeschlagenen Atome des Targetmaterials (Abb. 3, zweiter und dritter Schritt) und somit auch die Schichtabscheidungsrate auf dem Substrat (Abb. 3, vierter Schritt).
Zur Beschichtung der im vorliegenden Beitrag betrachteten GRIN-Resonatoren wird eine Kombination aus HF-Sputtern und Magnetronsputtern (Abb. 3) eingesetzt, bei der die Brechungseigenschaften der GRIN-Linsen nicht negativ beeinflusst werden.
Abb. 3: Schematischer Aufbau des HF-Magnetronsputterns
Um eine einfache Funktionalisierung der Resonatoroberflächen mit verschiedenen Biomolekülen zu ermöglichen, wurden dünne Spiegelschichten aus Gold aufgetragen, an die sich Thiolgruppen der Molekülbeschichtung einfach kovalent binden lassen. Anhand von Testsubstraten aus Glas wurden zuerst die Abscheideparameter für eine halbtransparente Spiegelschicht aus Gold mit einer sehr dünnen Haftvermittlerschicht aus Titan ermittelt.
Da bei vorhergegangen Arbeiten im Bereich der Mikroresonatoren die Spiegeloberflächen im Resonator mittels Elektronenstrahlverdampfer mit der Schichtfolge Chrom, Silber, Gold, Siliziumdioxid (SiO2) bedampft wurden, sollte die Beschichtung mit Gold eine ähnliche optische Transmission zeigen. Das Transmissionsspektrum eines vergleichbaren Resonatoraufbaus mit der Schichtfolge (Cr 1 nm, Ag 45 nm, Au 5 nm und SiO2 15 nm) wurde deshalb als Referenzspektrum für die Optimierung der Prozessparameter der Goldbeschichtungen herangezogen [5]. In Abbildung 4 ist ein Vergleich der Transmissionsspektren zwischen unterschiedlichen gesputterten Goldoberflächen und einer aufgedampften Schicht aus Chrom, Silber, Gold und Siliziumdioxid dargestellt.
Abb. 4: Transmissionsspektren von verschiedenen Titan-Gold-Schichten (gesputtert) und eines Referenz-Spiegels aus Chrom, Silber, Gold und Siliziumdioxid, der mittels Elektronenstrahlverdampfer beschichtet wurde
2 Funktion des Resonators
Optische Resonatoren bestehen im Allgemeinen aus zwei hoch reflektierenden, meist mit Silber beschichteten, parallel angeordneten ebenen Spiegeln im Abstand. Dieses optische System ist notwendig, um Licht mit bestimmter Frequenz, Ausbreitungsgeschwindigkeit und Polarisation möglichst oft innerhalb der beiden Spiegel zu reflektieren und somit zu verstärken. Damit diese konstruktive Interferenz stattfindet, muss die eintretende Welle mehrmals konstruktiv interferieren. Dazu muss die Resonanzbedingung eines Resonators
n∙d = m∙λ/2
erfüllt sein, wobei n den Brechungsindex des Mediums zwischen den Spiegeln, d den Spiegelabstand, m eine natürliche Zahl und λ die eingestrahlte Wellenlänge darstellt. Ist die Resonanzbedingung erfüllt, bilden sich im Resonator stehende Wellen mit der eingestrahlten Wellenlänge aus, welche durch einen leicht transparenten Spiegel ausgekoppelt werden können. Man spricht in diesem Zusammenhang von longitudinalen Resonatormoden.
Wird statt zweier paralleler Spiegel eine verspiegelte Konvexlinse und eine verspiegelte GRIN-Linse verwendet, vergrößert sich aufgrund der Krümmung der Linse radial von innen nach außen der Spiegelabstand innerhalb des Resonators. Somit können eingestrahlte monochromatische Wellen an verschiedenen Positionen des Resonators mehrmals konstruktiv und destruktiv interferieren.
Abb. 5: Resonatoraufbau aus konvexer, beschichteter Sammellinse und beschichteter GRIN-Linse und entstehende Newtonringe bei Anregung mit Weißlicht (a) sowie Veränderung der Resonanzen bei Erhöhung des Brechungsindexes (b)
Die entstehenden Muster werden als Newtonringe nach ihrem Entdecker Isaac Newton bezeichnet (Abb. 5a). Durch Beleuchtung dieses Resonatoraufbaus zum Beispiel mit einer roten LED entstehen alternierende rote (konstruktive Interferenz) und schwarze (destruktive Interferenz) Kreise; dieser Effekt wird als sogenannte Ordnungen bezeichnet. Bei einer Beleuchtung mit Weißlicht entsteht ein sich wiederholender, regenbogenartiger Farbverlauf, wobei die Ringe mit steigender Ordnung an Kontrast verlieren, da sich die Farben der höheren Ordnungen überlagern. Grund hierfür ist, dass bei größerem Abstand (im Mikrometerbereich) der Resonatorspiegel das kurzwellige blaue Muster der 7. Ordnung mit dem der 8. Ordnung des längerwelligen grünen Lichts überlappt.
Die Durchmesser der Newtonringe sind dabei vom Abstand beider Spiegel zueinander und dem Brechungsindex des Mediums zwischen den Spiegeln abhängig. Der minimale Abstand der Spiegel für eine konstruktive Interferenz beträgt die halbe Wellenlänge des eingestrahlten Lichts, wenn als Medium Luft gewählt wird. Bei konstantem Abstand beider Spiegel können so kleinste Brechungsindexänderungen über Veränderungen der Ringdurchmesser detektiert werden. Wie in Abbildung 5b zu erkennen ist, verringern sich die Durchmesser der Newtonringe bei steigendem Brechungsindex. Bei kleiner werdendem Brechungsindex des Mediums im Resonator verschieben sich die Newtonringe entsprechend umgekehrt.
Aus den Farb- und Intensitätsverläufen der Newtonringe kann mit geeigneten Auswertealgorithmen der effektive Brechungsindex des Mediums im Resonator lokal bestimmt werden.
Brechungsindexänderungen durch gezielte Oberflächenmodifikation mit Biomolekülen, die in biochemischen Bindungsassays beispielsweise durch Antikörper-Antigen-Wechselwirkungen stattfinden, sollten deshalb zu einer Veränderung der Positionen der Newtonringe führen. Dadurch sollte die spezifische Bindung von Analytmolekülen im GRIN-Resonator über eine einfache Auswertung von Newtonringmustern detektierbar sein. Die geringen Abstände der Resonatorspiegel mit den gekoppelten Fängermolekülen haben außerdem den Vorteil, dass die Diffusionszeiten der Analyte zum Fängermolekül kurz sind; dadurch werden schnelle Bindungskinetiken und kurze Assayzeiten möglich.
Abbildung 6 zeigt die spezifische Bindung von Analytmolekülen an Fängermolekülen auf den Resonatoroberflächen und die dadurch hervorgerufene Veränderung der Newtonringe schematisch. Nach dem Einleiten der Analyselösung in den dargestellten Resonator binden Analytmoleküle spezifisch an die Fängermoleküle. Ungebundene Moleküle der Probe werden durch Spülen mit Pufferlösung aus dem Resonator entfernt. Der Vergleich der Bilder der beiden Newtonringe mit und ohne gebundene Analytmoleküle (Abb. 6) kann zur Quantifizierung der in der Probe vorhandenen Analyte verwendet werden.
Abb. 6: Mikroresonator mit immobilisierten Fängermolekülen (z. B. Antikörper)
3 Zusammenfassung
Ein kompakter und kostengünstiger Sensor, bestehend aus einer LED, einem Konvexspiegel, einer GRIN-Linse und einer CCD-Kamera, ermöglicht es, kleinste Änderungen der Brechungsindizes des Mediums im GRIN-Resonator zu detektieren. Die Verwendung der GRIN-Optik trägt entscheidend zur Miniaturisierung des Setups bei. Durch gezielte Oberflächenmodifikation mit biochemischen Fängermolekülen (z. B. Antikörper) sollte dieses Systems in der In-vitro-Diagnostik und Sensorik für Anwendungen in den Bereichen Medizintechnik, E-Health, Umwelt und Lebensmittelanalytik für robuste, tragbare Sensorsysteme einsetzbar sein. Das Anwendungspotential des GRIN-Sensors wird mithilfe von biochemischen Modellassays im Rahmen eines Verbundforschungsprojekts zwischen drei Partnerhochschulen der Internationalen Bodensee-Hochschule (IBH) geprüft.
Literatur
[1] B. Messerschmidt: Gradientenoptik – eine innovative Mikrooptik für die Optoelektronik und die medizinische Bilderfassung; Photonik No. 6, (2003), S. 54–57
[2] B. Messerschmidt, T. Possner, R. Goering: Colorless gradient-index cylindrical lenses with high numerical apertures produced by silver-ion exchange; Appl. Opt. 34 (34), (1995), pp. 7825–7830
[3] R. P. J. Barretto, B. Messerschmidt, M. J. Schnitzer: In vivo fluorescence imaging with high-resolution microlenses; nature methods, Vol. 6, No. 7, (2009)
[4] V. Bucher, W. Nisch: Beschichtungen für Life Science; VIP 22 (1), (2010), S. 14–24, DOI: 10.1002/vipr.201000405
[5] S. Bär, A. J. Meixner: Microcavities: tailoring the optical properties of single quantum emitters; Anal Bioanal Chem, 396:3-14, (2010)
Danksagung
Dieses Verbundprojekt wird durch die Internationale Bodensee-Hochschule in Form des IBH Schwerpunktprojekts Optische Hybrid-Sensoren für die in-vitro Diagnostik in Medizintechnik, E-Health, Umwelt- und Lebensmittelanalytik gefördert. Teile dieses Projekts werden auch durch die Baden-Württemberg Stiftung gGmbH finanziert.
DOI: 10.7395/2016/Metzger1
Autorenkontakte:
1 Hochschule Furtwangen, Fakultät Mechanical and Medical Engineering (MME), D-78054 Villingen Schwenningen
2 Universität Tübingen, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie (IPTC), D-72076 Tübingen
3 Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW), Institut für Angewandte Mathematik und Physik (IAMP), CH-8401-Winterthur
4 Hochschule Albstadt-Sigmaringen, Fakultät Life Sciences, Institut für In-vitro-Testsysteme (InViTe), D-72488 Sigmaringen
5 Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut an der Universität Tübingen (NMI), D-72770 Reutlingen
