TECHNISCHES GEBIET

Verschiedene Beispiele der Erfindung betreffen ein kompaktes Chiplabor-System mit einem optischen Wellenleiter, der eine zumindest partiell periodische Struktur aufweist. Die zumindest partiell periodische Struktur kann einen Einkoppelbereich ausbilden, um Licht, das von einer Reaktionskammer eines mikrofluidischen Netzwerks kommt, in den Wellenleiter einzukoppeln; die zumindest partiell periodische Struktur kann auch einen Auskoppelbereich ausbilden, um Licht zur Reaktionskammer zu senden.

HINTERGRUND

Der Begriff Lab-on-a-Chip (auch Chiplabor bzw. englisch lab-on-a-chip device, La- bor-auf-dem-Chip) bezeichnet ein mikrofluidisches Netzwerk, welches zumindest Teile der Funktionalität eines makroskopischen Labors auf einem Substrat unterbringt. Typischerweise sind die Abmessungen des Substrats vergleichsweise klein, etwa in der Größenordnung einer Chipkarte.

Mit einem Chiplabor lassen sich kleine Mengen (wenige Pikoliter bis Mikroliter) einer Flüssigkeit analysieren. Der Transport der Proben zwischen den verschiedenen Re- aktions- und Analysekammern findet mithilfe von Kapillarkräften statt.

Typischerweise erfolgt - zur Auswertung eines Prozesses - eine optische Detektion durch Licht. Es kann z.B. ein Mikroskop verwendet werden, um eine Reaktionskammer des Chiplabors zu betrachten.

Die Verwendung eines Mikroskops zur Beleuchtung und/oder Detektion eines mikrofluidischen Netzwerks bei einem Chiplabor ist platzintensiv und teuer.

KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es besteht also ein Bedarf für Chiplabor-Systeme, welche besonders kompakt implementiert sind und neben dem mikrofluidischen Netzwerk auch eine integrierte optische Detektion und/oder optische Anregung bereitstellen. Insbesondere besteht ein Bedarf für eine integrierte optische gezielte Detektion, d.h. Wellenlängenselektiv und/oder mit einer hohen Ortsauflösung. Außerdem besteh ein Bedarf für eine gezielte Anregung, d.h. im Ortsraum und/oder Wellenlängenspektrum wohldefiniert.

Diese Aufgabe wird gelöst von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Die Merkmale der abhängigen Patentansprüche definieren Ausführungsformen.

Gemäß den hierin beschriebenen Techniken kann ein sehr kompaktes Chiplabor- System bereitgestellt werde. Dieses kann neben der klassischen Mikrofluidik-Funk- tion - bereitgestellt durch ein mikrofluidisches Netzwerk - auch eine gezielte optische Anregung und/oder eine gezielte optische Detektion in einem kompakten multifunktionalen Element ermöglichen.

Nachfolgend werden Techniken beschrieben, die ein solches multifunktionales, hochauflösendes, energieeffizientes simultanspektrales Chiplabor-System betreffen, das eine integrierte optische Detektionsfunktion aufweist und/oder eine integrierte optische Anregungsfunktion aufweist.

Ein Chiplabor-System umfasst einen optischen Detektionswellenleiter. Der optische Detektionswellenleiter weist eine zumindest partiell periodische Struktur auf. Diese ist eingerichtet, um Licht aus einer Umgebung des optischen Wellenleiters in den optischen Wellenleiter einzukoppeln. Außerdem umfasst das Chiplabor-System ein mikrofluidisches Netzwerk. Das mikrofluidischen Netzwerk weist mehrere Leitungen und mindestens eine Reaktionskammer auf. Das Chiplabor-System ist eingerichtet, sodass die mindestens eine Reaktionskammer des mikrofluidischen Netzwerks in der Umgebung der partiell periodischen Struktur angeordnet werden kann.

Anhand von Kapillarkräften können Flüssigkeiten in den Leitungen des mikrofluidischen Netzwerks bewegt werden, beispielsweise von Quellkammern hin zu der mindestens einen Reaktionskammer. Die mindestens eine Reaktionskammer kann als Hohlraum in einem entsprechenden Substrat ausgebildet sein. Die mindestens eine Reaktionskammer kann ein oder mehrere Zuläufe aufweisen, die durch ein oder mehrere Leitungen des mikrofluidischen Netzwerks implementiert werden. Die mindestens eine Reaktionskammer könnte auch ein oder mehrere Ableitungen umfassen, die durch ein oder mehrere Leitungen des mikrofluidischen Netzwerks implementiert werden. In der mindestens einen Reaktionskammer können chemische und/oder physikalische und/oder biologische Prozesse ablaufen. Ein solcher Prozess kann dann im Rahmen der optischen Detektion überwacht werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein solcher Prozess auch durch die optische Anregung mit Energie versorgt werden. Derart wird also ein Chiplabor durch das mikrofluidische Netzwerk ausgebildet.

Als allgemeine Regel können optische Wellenleiter, wie hierin beschrieben, einen Zentralbereich und einen Mantelbereich umfassen. Im Zentralbereich propagiert Licht und wird an der Grenzfläche zum Mantelbereich total reflektiert. Dies wird durch geeignete Wahl von Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes erreicht. Derart können z.B. planare oder gekrümmte Wellenleiter, die in einem Substrat integriert sind, verwendet werden. Wie in den FIGs. 1-5 zu sehen, wird das eingekoppelte Licht in dem Wellenleiter entlang einer Längsfläche oder Längsachse des Lichtleiters popagiert. In anderen Worten, eine Propagationsrichtung oder Propagationsfläche des Lichtes (z.B. gemittelt über die Länge des Wellenleiters) in dem Wellenleiter verläuft im Wesentlichen entlang zweier Grenzflächen des Wellenleiters. Die Propagationsfläche des Detektionswellenleiters kann sich im Wesentlichen zumindest teilweise entlang und/oder parallel der Propagationsfläche des Beleuchtungswellenleiters erstrecken. Die Propagationsflächen des Detektionswellenleiters oder des Beleuchtungswellenleiters, oder beide, können sich im Wesentlichen zumindest teilweise entlang und/oder parallel einer MittelebeneZ-fläche des Fluidsystems und/oder der Reaktionskammer erstrecken. Die Propagationsrichtung im Detektionswellenleiter kann nicht entlang, z.B. entgegengesetzt, der Propagationsrichtung im Beleuchtungswellenleiter sein.

Die zumindest partiell periodische Struktur des Detektionswellenleiters kann einen Einkoppelbereich ausbilden, weil das Licht in den Detektionswellenleiter eingekoppelt wird.

Als allgemeine Regel können in den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen zumindest partiell periodische Strukturen dazu verwendet werden, um optische Wellenleiter zu funktionalisieren. Obenstehend wurde ein Beispiel beschrieben, bei welchem die zumindest partiell periodische Struktur des Detektionswellenleiters den Einkoppelbereich ausbildet. Es wäre aber auch denkbar, dass zumindest partiell periodische Strukturen verwendet werden, um einen Auskoppelbereich auszubilden, etwa im Detektionswellenleiter - z.B. angrenzend an einen Detektor - oder aber auch bei einem Beleuchtungswellenleiter - etwa um Licht zur mindestens einen Reaktionskammer auszusenden der alternativ oder zusätzlich zum Detektionswellenleiter vorhanden ist.

Die zumindest partiell periodischen Strukturen, die hierin beschrieben werden, kön- nen mit Filtern kombiniert werden. Z.B. kann spektral gefiltert werden. Die Filterparameter können als Funktion des Orts der zumindest partiell periodischen Strukturen variiert werden. Dadurch kann eine erweiterte Funktionalisierung erreicht werden. Z.B. kann eine Wellenlängenabhängigkeit einer abbildenden optischen Funktion erreicht werden. Störendes Licht kann gefiltert werden. Als allgemeine Regel können in den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen zumindest partiell periodische Strukturen unterschiedlich ausgebildet werden. Die verschieden Varianten können aber alle gleichermaßen oder in Kombination zur Funktionalisierung von Wellenleitern verwendet werden Einige Beispiele für zumindest partiell periodische Strukturen sind nachfolgend in TAB. 1 zusammengefasst.

TAB. 1 : Verschieden Varianten für partiell periodische Strukturen, die Ein- und/oder Auskoppelbereiche von optischen Wellenleitern in den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen ausbilden können. Durch solche partiell periodische Strukturen kann bauraumoptimiert die gewünschte Strahlformung sowie die gewünschte ab- bildende Eigenschaft bereitgestellt werden. Insbesondere können weitere Optikelemente eingespart werden, was zu einem kompakten Design bei gleichzeitig geringem Gewicht führt. Als allgemeine Regel kann die periodische Struktur strikt periodisch sein. Es wäre aber auch möglich, dass ein oder mehrere Designparameter als Funktion des Orts variieren. Zum Beispiel könnten Filterparameter einer Filterschicht variieren. Es könnten auch Index-Variationen im Beispiel des HOE verwendet werden, oder Variationen der Gitter-Einheitszelle im Beispiel eines DOE. Beispielsweise kann es durch solche Variationen möglich sein, gezielt eine Wellenlängenselektiv der Einkopplung oder Auskopplung von Licht bzw. einer abbildenden optischen Funktion zu erzielen. Derart kann ein höherer Funktionalisierungsgrad erreicht werden.

Als weitere allgemeine Regel können solche zumindest partiell periodische Strukturen, die zur Funktionalisierung von optischen Wellenleitern verwendet werden, teiltransparent ausgebildet sein. Durch die zumindest partiell periodische Struktur kann Transparenz bei normaler Durchsicht in einem großen Winkel- und Wellenlängenbereich erhalten bleiben. Die Transparenz kann dabei von der Kopplungseffizienz abhängig sein. Mit steigender Kopplungseffizienz kann auch die Transparenz sinken. Im Sinne einer größtmöglichen Transparenz kann die Strahlungseinkopplung oder Strahlungsauskopplung in oder aus einem Wellenleiter durch z.B. die zumindest partiell periodische Struktur gerade so effizient sein, dass eine ausreichende Photonen- zahl in den mindestens in den optischen Wellenleiter eingekoppelt oder ausgekoppelt wird. Die zumindest partiell periodischen Strukturen - insb. bei Ausbildung als diffrak- tive Struktur, vgl. TAB. 1 , Beispiele I, II, III, IV - können eine einfallswinkelabhängige Wellenlängenselektivität aufweisen, so dass sie für einen großen Winkel- und Wellenlängenbereich eine hohe Transparenz besitzen. Das bedeutet in anderen Worten, dass je nach Einfallswinkel Licht unterschiedlicher Wellenlängen effizient in einen entsprechenden optischen Wellenleiter ein- oder ausgekoppelt werden kann.

In verschiedenen Beispielen wäre es denkbar, dass der Detektionswellenleiter auch einen Auskoppelbereich aufweist. Dieser kann angrenzend an einen Detektor angeordnet sein. Der Auskoppelbereich kann eine Spiegelfläche, ein Prisma und/oder eine reflektive oder transmissive Fresnel-Struktur aufweisen. Diese Varianten können alternativ zur partiell periodischen Struktur oder zusätzlich zu einer partiell periodischen Struktur des Auskoppelbereiches vorgesehen sein.

Der Auskoppelbereich kann eingerichtet sein, um das - von der partiell periodischen Struktur des Einkoppelbereichs in den Detektionswellenleiter eingekoppelte Licht - aus dem Detektionswellenleiter in Richtung des Detektors auszukoppeln. Der Detektor kann z.B. ein Mehrpixel-Detektor sein. Der Detektor kann einen digitalen Bildsensor implementieren, z.B. einen CCD-Sensor oder einen CMOS-Sensor o- der ein SPAD Array oder einen Silizium-Photomultiplier. Einzelphotonendetektion wäre denkbar. Derart kann der Mehrpixel-Detektor angesteuert werden, um Bilddaten bereitzustellen.

Dabei ist es möglich, dass die den Einkoppelbereich implementierende zumindest partiell periodische Struktur und der Auskoppelbereich eingerichtet sind, um ein Abbild der mindestens einen Reaktionskammer auf einer sensitiven Fläche des Detektors zu erzeugen.

Das bedeutet also, dass die zumindest partiell periodische Struktur - hier in Zusammenwirkung mit dem Auskoppelbereich - eingerichtet ist, um das Licht mit einer abbildenden optischen Funktion zu übertragen.

Dabei können dann unterschiedliche Bildpunkte, die durch diese abbildende optische Funktion definiert sind, mit unterschiedlichen Wellenlängen des Lichts assoziiert sein. Dies kann dadurch erreicht werden, dass unterschiedliche Bildpunkte unterschiedliche Abstände zur optischen Achse aufweisen und damit das vom jeweiligen Bildpunkt ausgesendete Licht unter einem entsprechenden Winkel auf die zumindest partiell periodische Struktur auftritt; zusammen mit der obenstehend beschriebenen Wellenlängenselektivität der Kopplungseffizienz kann dadurch erreicht werden, dass unterschiedliche Bildpunkte mit unterschiedlichen Wellenlängen assoziiert sind. Eine weitere Variante zur Erzeugung einer Wellenlängenselektivität bestünde in der Verwendung von unterschiedlichen Absorptionsfiltern, die z.B. an unterschiedlichen Fresnel-Elementen einer Fresnel-Struktur angebracht sind, wobei die unterschiedlichen Fresnel-Elemente dann wiederum unterschiedlichen Bildpunkten zugeordnet sind.

Es wäre möglich, dass zwischen dem Detektor und dem Auskoppelbereich kein weiteres optisches abbildendes Element angeordnet ist. Dies ermöglicht eine besonders kompakte Bauform. Hier kann die Fokussierung auf die sensitive Fläche durch die abbildende optische Funktion des Einkoppelbereichs in Zusammenwirkung mit dem Auskoppelbereich erzielt werden. Es wäre aber in anderen Varianten möglich, dass noch mindestens ein optisch abbildendes Element angeordnet ist. Das mindestens eine optisch abbildende Element dient insbesondere zur Führung des vom Auskoppelbereich umgelenkten Teils der Lichts und kann z.B. als Linse ausgebildet sein. Das mindestens eine optisch abbildende Element kann z.B. als Objektiv, als refrakti- ves Objektiv oder als refraktives Kameraobjektiv ausgebildet sein.

Die den Einkoppelbereich implementierende zumindest partiell periodische Struktur und der Auskoppelbereich können eine unendlich-unendlich Abbildung oder eine endlich-unendlich-Abbildung oder einer unendlich-endlich Abbildung oder eine end- lich-endlich-Abbildung implementieren.

Die mindestens eine Reaktionskammer kann - in Bezug auf die abbildende optische Funktion der partiell periodischen Struktur des optischen Detektionswellenleiters - im Nahfeld der partiell periodischen Struktur angeordnet sein. Z.B. sind weitere Linsen oder andere optische wirksame Elemente zwischen Einkoppelbereich und Reaktionskammer entbehrlich.

Als allgemeine Regel kann die Ortsauflösung einer optischen abbildenden Funktion, die durch den funktionalisierten Detektionswellenleiter bereitgestellt wird, dazu verwendet werden, zwischen unterschiedlichen Reaktionskammern zu selektieren, oder optional auch zwischen verschiedenen Positionen innerhalb einer bestimmten Reaktionskammer. Das wird nachfolgend näher erläutert.

Die mindestens eine Reaktionskammer kann eine Vielzahl von Reaktionskammer umfassen. Es ist dann möglich, dass die zumindest partiell periodische Struktur und der Auskoppelbereich eingerichtet sind, um Bildpunkte des Abbilds, die Objektpunkten unterschiedlichen Reaktionskammern der Vielzahl von Reaktionskammer entsprechen, auf unterschiedliche Pixel des Mehrpixel-Detektors abzubilden. Das bedeutet, dass eine Auflösung durch Zuweisung unterschiedlicher Reaktionskammer zu unterschiedlichen Pixeln erfolgen kann. Dadurch können inhärent durch die unterschiedlichen Kanäle des Mehrpixel-Detektors Daten, die unterschiedlichen Reaktionen oder Prozessen in den unterschiedlichen Reaktionskammern zugewiesen sind, getrennt werden. Dies ermöglicht es zügig und einfach mehrere Reaktionen oder Prozesse in den unterschiedlichen Reaktionskammern zu überwachen. In diesem Zusammenhang wäre es zum Beispiel denkbar, dass die Wellenlängenabhängigkeit der abbildenden optischen Funktion ausgenutzt wird, um im Zusammenhang mit den Reaktionen oder Prozessen in den unterschiedlichen Reaktionskammern gezielt bestimmte Spektralbereiche zu untersuchen. Das bedeutet in anderen Worten, dass es möglich wäre, die Zuordnung von Prozessen zu Reaktionskammern in Abhängigkeit von den im Zusammenhang mit der jeweiligen Reaktionskammer gemessenen Wellenlängen gezielt zu wählen. Im Beispiel eines DOE oder HOE als partiell periodische Struktur kann eine solche Wellenlängenselektivität inhärent durch die Struktur bereitgestellt werden - ohne dass es notwendig wäre, Spektralfilter vorzusehen, über die diffraktiven Struktur(en) hinaus. Beispielsweise könnte auch die Wellenlänge einer Anregung entsprechend eingestellt werden, wenn z.B. eine verstimmbare Lichtquelle - d.h. eine Lichtquelle, die angesteuert werden kann, um Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen auszusenden - verwendet wird, wie nachfolgend noch näher erläutert.

Alternativ oder zusätzlich zu einer solchen obenstehend beschriebenen Trennung der Abbildung verschiedener Reaktionskammern, wäre es auch denkbar, unterschiedliche Positionen innerhalb einer Reaktionskammer ortsaufgelöst zu detektie- ren, das heißt ein Bild einer Reaktionskammer ortsaufgelöst zu erfassen. Es wäre also möglich, dass die zumindest partiell periodische Struktur und der Auskoppelbereich eingerichtet sind, um Bildpunkte des Abbilds, die Objektpunkten an unterschiedlichen Positionen innerhalb der mindestens einen Reaktionskammer entsprechen, auf unterschiedliche Pixel des Mehrpixel-Detektors abzubilden.

Ein solches ortsaufgelöst das Bild einer Reaktionskammer ermöglicht auch kompliziertere Anwendungen. Zum Beispiel wäre es denkbar, dass eine Recheneinheit des Chiplabor-Systems eingerichtet ist, um Objekte eines vorgegebenen Typs in einem solchen Bild zu zählen. Zum Beispiel könnten weiße Blutkörperchen im Rahmen einer Blutanalyse gezählt werden. Ein weiteres Beispiel beträfe das Zählen von Malaria-Parasiten pro Blutvolumen. Dies ermöglicht also das Implementieren von Anwendungen, die ein ortsaufgelöst das Bild einer Reaktionskammer erfordern, in einem integrierten Chiplabor-System - ohne dass es notwendig wäre, eine externe Mikrosko- pievorrichtung für die Bildgebung zu verwenden. In den verschiedenen Beispielen wäre es denkbar, dass der optische Detektionswellenleiter und das mikrofluidische Netzwerk auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind. Derart kann ein besonders hoher Grad der Integration erreicht werden. Das Chiplabor-System kann mit besonders kleinen Außenabmessungen bereitgestellt werden.

Es wäre aber auch denkbar, dass der optische Detektionswellenleiter und mikrofluidisches Netzwerk auf unterschiedlichen Substraten angeordnet sind. Es wäre dann denkbar, bei Durchführung der Messung die beiden Substrate benachbart zueinander zu positionieren. Beispielsweise könnte das Chiplabor-System bereits ein entsprechendes Führungselement umfassen, das eingerichtet ist, um eine Relativbewegung der unterschiedlichen Substrate gegeneinander zu ermöglichen. Zum Beispiel könnte das Führungselement durch Führungsschienen implementiert sein. Eine solche Ausführung mit zwei getrennten Substraten kann den Vorteil aufweisen, dass das Substrat mit den optischen Elementen (Photonik-Chip) für Anregungen und/oder Messungen zusammen mit mehreren Substraten, die entsprechende mikrofluidischen Netzwerke umfassen (Labor-Chip), verwendet werden kann.

Wie bereits obenstehend beschrieben, wäre es denkbar, dass das Chiplabor-System einen optischen Beleuchtungswellenleiter aufweist (alternativ oder zusätzlich zum Detektionswellenleiter). Das Chiplabor-System kann auch eine Lichtquelle aufweisen, die mit dem Beleuchtungswellenleiter optisch gekoppelt ist, um das - anschließend in den Detektionswellenleiter eingekoppelte - Licht und/oder weiteres Licht (beispielsweise zur Anregung von Fluoreszenz) auszusenden. Die Lichtquelle kann z.B. auf dem entsprechenden Substrat integriert ausgebildet sein. Derart kann einen On-Chip-Beleuchtung bereitgestellt werden, die damit besonders hoch integriert ist.

Insbesondere könnte eine verstimmbare Lichtquelle verwendet werden, das heißt eine Lichtquelle, die eingerichtet ist, um das Licht und/oder das weitere Licht mit einer einstellbaren Wellenlänge auszusenden. In dem eine bestimmte Wellenlänge selektiert wird, ist es möglich, bestimmte Prozesse in den Reaktionskammern gezielt zu beeinflussen. Eine Recheneinheit kann entsprechend eingerichtet sein, um die Lichtquelle anzusteuern, um das Licht und/oder das weitere Licht in den Beleuchtungswellenleiter einzuspeisen. Die Recheneinheit kann ferner eingerichtet sein, um die einstellbare Wellenlänge des Lichts und/oder des weiteren Lichts in Abhängigkeit von einer Wellenlängenabhängigkeit einer optischen abbildenden Funktion der weiteren partiell periodischen Struktur und/oder der partiell periodischen Strukturen auszuwählen. Derart kann z.B. gezielt eine von mehreren Reaktionskammern für die Anregung und/oder Detektion selektiert werden, wenn beispielsweise unterschiedliche Bildpunkte der optischen abbildenden Funktion verschiedenen Reaktionskammern zugeordnet sind.

Ein Chiplabor-System gemäß einem weiteren Aspekt umfasst einen optischen Beleuchtungswellenleiter. Dieser weist eine zumindest partiell periodische Struktur auf. Dies ist eingerichtet, um Licht aus dem optischen Beleuchtungswellenleiter in eine Umgebung des optischen Beleuchtungswellenleiters auszukoppeln. Außerdem umfasst das Chiplabor-System auch ein mikrofluidisches Netzwerk. Dieses weist mehrere Leitungen und mindestens eine Reaktionskammer auf. Das Chiplabor-System ist eingerichtet, so dass die mindestens eine Reaktionskammer des mikrofluidischen Netzwerks in der Umgebung des optischen Beleuchtungswellenleiters angeordnet werden kann.

Wie bereits obenstehend im Zusammenhang mit dem optischen Detektionswellenleiter beschrieben, kann eine zumindest partiell periodische Struktur eingerichtet sein, um das Licht mit einer abbildenden optischen Funktion zu übertragen, wobei optional unterschiedliche Bildpunkte, die durch die abbildende optische Funktion definiert sind, mit unterschiedlichen Wellenlängen des Lichts assoziiert sind. Derart kann eine Wellenlängen-aufgelöste Beleuchtung erfolgen, d.h. örtlich und optional zeitlich zwischen unterschiedlichen Wellenlängen selektiert werden. Derart können bestimmte Reaktionen zielgerichtet angeregt werden.

Solche Chiplabor-Systeme, wie sie voranstehend beschrieben wurden, können für vielfältige Anwendungen eingesetzt werden. Beispielsweise wäre es denkbar, solche Chiplabor-Systeme für eine mikroskopische Blutanalyse oder auch zur Fluoreszenzmessungen zu verwenden. Auch solche komplizierten Anwendungen, die beispielsweise eine ortsaufgelöste Detektion voraussetzen, können durch die Verwendung der funktionalisierte optischen Wellenleiter zur Anregung und/Detektion mit einem hohen Integrationsgrad ermöglicht werden.

Es wäre denkbar, dass die integrierte optische Anregung und/oder Detektion kombiniert wird mit einer externen optischen Anregung und/oder Detektion. Dazu kann das Chiplabor-System zum Beispiel in Kombination mit einer Mikroskopievomchtung verwendet werden. Gemäß den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen können nämlich die funktionalisierten optischen Wellenleiter - insbesondere die partiell periodischen Strukturen - zumindest teiltransparent für einen bestimmten Wellenlängenbereich von Licht ausgebildet sein. Dann kann die externe optische Vorrichtung, beispielsweise die Mikroskopievomchtung, weiteres Licht zur mindestens einen Reaktionskammer aussenden und/oder von dieser detektieren, räumlich überlagert mit der integrierten optischen Anregung und/oder Detektion. Wellenlängen-Multiplexen wird also ermöglicht. Dies erhöht die Flexibilität in der Anwendung.

Die oben dargelegten Merkmale und Merkmale, die nachfolgend beschrieben werden, können nicht nur in den entsprechenden explizit dargelegten Kombinationen verwendet werden, sondern auch in weiteren Kombinationen oder isoliert, ohne den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.

FIG. 1 ist eine schematische Ansicht eines Chiplabor-Systems gemäß verschiedenen Beispielen.

FIG. 2 zeigt eine Aufsicht auf eine beispielhafte Implementierung eines Chiplabor- Systems gemäß verschiedenen Beispielen.

FIG. 3 ist eine Seitenansicht der beispielhaften Implementierung des Chiplabor-Systems aus FIG. 2.

FIG. 4 ist eine Seitenansicht einer Variante der beispielhaften Implementierung des Chiplabor-Systems aus FIG. 2.

FIG. 5 zeigt die Verwendung einer Mikroskopievomchtung für die beispielhafte Implementierung des Chiplabor-Systems aus FIG. 2 in der Seitenansicht gemäß FIG. 3.

FIG. 6 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens. FIG. 7 illustriert eine beispielhafte Implementierung einer zumindest partiell periodischen Struktur als diffraktives Gitter gemäß verschiedenen Beispielen.

FIG. 8 illustriert eine beispielhafte Implementierung einer zumindest partiell periodischen Struktur als Volumenhologrammen gemäß verschiedenen Beispielen.

FIG. 9 illustriert eine beispielhafte Implementierung einer zumindest partiell periodischen Struktur als refraktive Gitterstruktur gemäß verschiedenen Beispielen.

FIG. 10 illustriert eine beispielhafte Implementierung einer zumindest partiell periodischen Struktur als Kombination einer reflektiven Gitterstruktur mit einem diffraktiven Gitter gemäß verschiedenen Beispielen.

FIG. 11 illustriert eine Referenzimplementierung einer reflektiven Struktur zum Einoder Auskoppeln von Licht.

FIG. 12 illustriert schematisch eine Fließband-Positionierung von mehreren Labor- Chips in Bezug auf einen Photonik-Chip.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente. Die Figuren sind schematische Repräsentationen verschiedener Ausführungsformen der Erfindung. In den Figuren dargestellte Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Vielmehr sind die verschiedenen in den Figuren dargestellten Elemente derart wiedergegeben, dass ihre Funktion und genereller Zweck dem Fachmann verständlich wird. In den Figuren dargestellte Verbindungen und Kopplungen zwischen funktionellen Einheiten und Elementen können auch als indirekte Verbindung oder Kopplung implementiert werden. Eine Verbindung oder Kopplung kann drahtgebunden o- der drahtlos implementiert sein. Funktionale Einheiten können als Hardware, Software oder eine Kombination aus Hardware und Software implementiert werden.

Nachfolgend werden Techniken im Zusammenhang mit Chiplabor-Systemen beschrieben. Die hierin beschriebenen Chiplabor-Systeme verwenden ein oder mehrere funktionalisierte optische Wellenleiter, um eine integrierte optische Anregung und/oder Detektion bereitzustellen. Insbesondere kann es gemäß den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen möglich sein, dass die funktionalisierten optischen Wellenleiter Einkoppelbereiche und/oder Auskoppelbereiche aufweisen, die eine abbildende optische Funktion implementieren. Derart können auch ortsaufgelöste Messungen durchgeführt werden. Die abbildende optische Funktion kann eine Wellenlängenselektivität aufweisen. Es ist auch möglich, Wellenlängen-aufgelöst unterschiedliche Reaktionskammern selektiv zu adressieren.

Im Vergleich zu herkömmlichen Chiplaboren, können verschiedene Effekte erzielt werden. Einige Effekte sind nachfolgend aufgeführt. Es kann z.B. ein besonders hoher Grad der Integration erzielt werden, d.h. eine besonders hohe Miniaturisierung / Kompaktheit. Eine lokale gezielte optische Anregung ist möglich; das ist beispielsweise nicht möglich durch klassische freipropagierende optische Beleuchtung - etwa durch Verwendung einer separaten Mikroskopievorrichtung - gemäß Referenzimplementierungen. Außerdem ist eine lokale gezielte Detektion möglich; das ist nicht möglich durch klassische Kamerafunktion oder Mikroskop-Funktion gemäß Referenzimplementierungen. Es ist außerdem möglich, die potenzielle Fluoreszenz des Substrats durch die Anregung zu eliminieren, aktuell nicht möglich wegen der undifferenzierten Anregung/Beleuchtung. Dazu kann die partiell periodische Struktur so ausgebildet sein, dass sie den Wellenlängenbereich des Fluoreszenzlichtes des Substrates nicht weiterleitet oder abbildet, sondern im Gegenteil etwa reflektiert oder transmit- tiert, während gleichzeitig das Fluoreszenzlicht aus der Reaktionskammer weitergeleitet oder abgebildet wird. Das „Limit of Detection“ (LOD) kann erhöht werden.

Verschiedene Beispiele betreffen die Implementierung eines Chiplabors durch ein mikrofluidisches Netzwerk und mindestens eine Reaktionskammer. Im Zusammenhang mit Chiplaboren ist insbesondere die Platzsparsamkeit als Vorteil zu nennen, da auf geringstem Raum komplexe Prozesse ablaufen stattfinden müssen. Durch die Größe des miniaturisierten Labors ist es zudem sehr einfach zu transportieren, was es unter anderem für die medizinische Erstversorgung außerhalb von Arztpraxen und Krankenhäusern interessant macht.

Ein Chiplabor umfasst also, allgemein formuliert, ein mikrofluidisches Netzwerk und ein oder mehrere Reaktionskammern. Flüssigkeiten können durch das mikrofluidische Netzwerk z.B. durch Kapillarkräfte bewegt werden. Auf einem LOC gemäß den hierin beschriebenen Beispielen - insbesondere in den ein oder mehreren Reaktionskammern - können umfangreiche biologische, chemische und/oder physikalische Prozesse stattfinden. Die Funktionalität des mikrofluidischen Netzwerks kann durch aktive Komponenten wie Mikroventile, Pumpen und/oder Sensoren, die in das mikrofluidische Netzwerk integriert sind, erhöht werden.

Die Chiplabore weisen eine große Anwendungsvielfalt auf. Beispielsweise können Anwendungen nachgenannten Gebieten erfolgen: die medizinisch-biologische Forschung, die chemische Analyse oder die In-Line Prozesskontrolle für Pharmazie, Biotechnologie und moderne Chemie. Die Chiplabor lassen sich nach verschiedenen physikalischen Eigenschaften charakterisieren. Im Besonderen gehören dazu: die Art der Mikrofluidik; die Methode der Anregung; die Detektionstechnologie.

Beispielhafte Anwendungen für ein Chiplabore, die durch solche Prozesse implementier werden können, umfassen: Microarray-Analyse und Next Generation Sequencing (NGS). Manche Anwendungen umfassen die Analyse von Flüssigkeiten o- der von biologischen Proben mit der optischen Detektion und Analyse von fluoreszenten Biomolekülen. Weitere Anwendungen umfassen eine Blutanalyse, Malariadetektion, Fluoreszenzmessungen, Zelltrennung usw. In den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen können alle solche Anwendungen oder auch andere Anwendungen durch das Chiplabor implementiert werden. Die spezifische Implementierung des Chiplabors bzw. die spezifische Anwendung oder Anwendungen, die vom Chiplabor bereitgestellt werden, sind nicht wesentlich für die hierin beschriebenen Techniken. Andersherum formuliert können die hierin beschriebenen Techniken kombiniert werden mit unterschiedlichsten Implementierungen des Chiplabors.

Gemäß verschiedenen Beispielen wird ein ultra-kompaktes, multifunktionales Chiplabor-System beschrieben. Das Chiplabor-System umfasst ein mikrofluidisches Netzwerk mit ein oder mehreren Reaktionskammern. Das Chiplabor-System umfasst auch ein oder mehrere multifunktionale Wellenleiter für die integrierte optische Anregung und/oder integrierte optische Detektion von Proben in den ein oder mehreren Reaktionskammern.

Z.B. könnte eine seitliche Einkopplung in zumindest einen der ein oder mehreren multifunktionalen Wellenleiter erfolgen. Gemäß den verschiedenen Beispielen kann eine transparente Detektionsfunktion ermöglicht werden, d.h. das Licht von der Reaktionskammer kann durch den mindestens einen Wellenleiter empfangen werden und zu einem Detektor geführt werden. Dies kann ohne signifikante Degradation der Mikrofluidik-Funktion erfolgen.

Wie in FIGs. 1-5 zu sehen, wird Licht aus/von der einen oder den mehreren Reaktionskammern, in anderen Worten Licht, das von der einen oder mehreren Reaktionskammern ausgesendet wird, zumindest teilweise durch eine zumindest partiell periodische Struktur in den Detektionswellenleiter eingekoppelt. Durch das Einkoppeln wird das Licht in Richtung einer Propagationsrichtung gelenkt, so dass es entlang der Propagationsrichtung in dem Wellenleiter in Richtung zu einem Detektor propagiert wird. Die zumindest partiell periodische Struktur kann an einer Stirnseite des Wellenleiters senkrecht zur Propagationsrichtung angeordnet sein, oder an einer Grenzfläche des Wellenleiters, welche sich entlang der Propagationsrichtung erstreckt, beispielweise auf einer der Reaktionskammer zugewandten und/oder entgegengelegenen Grenzfläche des Detektionswellenleiters. Der Detektor kann an einer Stirnseite entlang der Propagationsrichtung des Lichtes angeordnet sei, oder nicht entlang der Propagationsrichtung, beispielsweise in einem Winkel, z.B. senkrecht, zur Propagationsrichtung.

Wie weiter in FIGs. 1 -5 zu sehen, wird Licht durch eine zumindest partiell periodische Struktur aus dem Beleuchtungswellenleiter in eine Umgebung des Beleuchtungswellenleiters ausgekoppelt, in dem ein mikrofluidisches Netzwerk angeordnet ist, so dass zumindest ein Teil des ausgekoppelten Lichtes auf die mindestens eine Reaktionskammer fällt.

Gemäß verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen kann also eine integrierte optische Anregung und/oder eine integrierte optische Detektion bereitgestellt werden. Das bedeutet, dass es gemäß verschiedenen Beispielen entbehrlich sein, auf externe Gerätschaften - wie beispielsweise ein Mikroskop mit Beleuchtungsmodul - für eine optische Detektion und Analyse zurückzugreifen.

Dabei ist es aber in manchen Beispielen möglich, zusätzlich zur integrierten optischen Anregung und/oder optischen Detektion auch eine externe optische Anregung und/oder Detektion zusätzlich vorzunehmen. Das bedeutet, dass ein Chiplabor-System, wie hierin beschrieben, für eine integrierte optische Detektion, beispielsweise mit einem integrierten Mehrpixel-Detektor, verwendet werden kann, um ein entsprechenden Messbild mindestens einer Reaktionskammer zu erhalten; und gleichzeitig eine externe Mikroskopievorrichtung verwendet werden kann, um ein weiteres Messbild derselben mindestens einen Reaktionskammer zu erfassen.

Dies kann durch die transparente Ausbildung des mindestens einen Wellenleiters - beispielsweise in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich, etwa im sichtbaren Wellenlängenbereich - ermöglicht werden, so dass Wellenlängen-gemultiplext gemessen mit dem Mikroskop und einem on-chip Detektor werden kann.

Die integrierte Anregung/Beleuchtungsfunktion basierend auf einem optischen Wellenleiter ermöglicht eine spektral selektive Beleuchtung der ein oder mehreren Reaktionskammern, sowohl örtlich wie auch zeitlich. Die integrierte transparente Detektionsfunktion ermöglicht eine In-Situ-Detektion.

Mittels der hierein beschriebenen Techniken kann also eine spektral selektive Beleuchtung oder Anregung der zu analysierenden Flüssigkeit oder biologischen Proben über einen integrierten multifunktionalen Beleuchtungswellenleiter realisiert werden.

Alternativ oder zusätzlich kann auch eine transparente Detektionsfunktion realisiert werden, in dem ein entsprechender optischer Detektionswellenleiter verwendet wird. Dieser könnte z.B. in einen Deckel des mikrofluidischen Netzwerks integriert sein.

Durch solche Techniken kann es möglich sein, ein Bild der ein oder mehreren Reaktionskammern in einem Detektionsschritt im Nahbereich zu erfassen.

Das hierin beschriebenen Chiplabor eignet sich insbesondere auch, um einen geringen Photonenfluss zu detektieren, wie es typischerweise bei Fluoreszenz von biologischen Proben in begrenzter Menge vorkommt. Insbesondere kann eine Einkopplung in einen Detektionswellenleiter besonders effizient gestaltet werden.

Das Chiplabor-System kann auf ein oder mehreren Substraten integriert sein. Solche Substrate können gefertigt sein aus: Silizium, Kunststoff und/oder Glas.

Beispielsweise wäre es denkbar, dass sowohl ein oder mehrere optische Wellenleiter - die für die optische Anregung und/oder Detektion verwendet werden - wie auch ein mikrofluidisches Netzwerk auf einem gemeinsamen Substrat integriert sind. In einer Variante kann der optische Teil - d.h. die ein oder mehreren optischen Wellenleiter - von der M ikrofluidik-Platte - d.h. vom mikrofluidischen Netzwerk - getrennt realisiert werden. Das Chiplabor-System wird praktisch zu einer Einsteckkarte, die zwischen eine Beleuchtungs- und Abbildungsplatte eingesteckt wird. Durch die kompakte Bauweise von Beleuchtung und Abbildung, lässt sich das Gesamtsystem in der Größe eines Kartenlesers realisieren.

FIG. 1 ist eine schematische Ansicht eines Chiplabor-Systems 100. Dieses weist im dargestellten Beispiel zwei Substrate 101 , 201 auf, wobei auf dem Substrat 101 (nachfolgend Photonik-Chip 101 ) optische Elemente angeordnet sind, die der Beleuchtung und Detektion dienen, und auf dem Substrat 201 (nachfolgend Labor-Chip 201 ) ein mikrofluidisches Netzwerk 212 mit ein oder mehreren Reaktionskammern 211 ausgebildet sind. In manchen Beispielen könnten der Photonik-Chip 101 und der Labor-Chip 201 auch auf einem einzelnen Substrat integriert sein.

Als allgemeine Regel können der Photonik-Chip 101 und der Labor-Chip 201 in Auf- licht-Geometrie (vgl. FIG. 12) oder Durchlicht-Geometrie (vgl. FIGs. 2 bis 5) angeordnet sein (die schematische Darstellung aus FIG. 1 ist insoweit nicht einschränkend gedacht). In Auflicht-Geometrie könnte berührungslos gemessen werden, was schnelles Messen von mehreren Labor-Chips nacheinander ermöglichen kann. In Auflicht-Geometrie kann es ferner möglich sein, die Rückseite des Labor-Chips 201 absorbierend zu gestalten; was es z.B. ermöglichen kann, Elemente des Chiplabors dort flexibel zu platzieren. In Durchlicht-Geometrie kann ein genaues Positionieren des Photonik-Chips 101 in Bezug auf den Labor-Chip 201 erfolgen. Dazu könnte zum Beispiel ein mechanisches Führungselement 299 vorgesehen sein.

Im Beispiel der FIG. 1 ist auch ein mechanisches Führungselement 299 vorgesehen. Dieses ist eingerichtet, um eine Relativbewegung der beiden Substrate 101 , 201 zueinander zu ermöglichen. Derart ist es Beispiel möglich, den Photonik-Chip 101 im Zusammenhang mit mehreren Labor-Chips 201 zu wiederverwenden. Ein mechanisches Führungselement 299 kann als allgemeine Regel sowohl in Auflicht-Geomet- rie, wie auch in Durchlicht-Geometrie verwendet werden. Es kann durch das Führungselement 299 eine Stop-Position definiert sein, bei der der Labor-Chip 201 und der Photonik-Chip 101 so positioniert sind, dass eine optische Anregung und/oder optische Detektion von Flüssigkeiten in den Reaktionskammern erfolgen kann.

Als nächstes werden Details im Zusammenhang mit dem Photonik-Chip 101 beschrieben. Im Beispiel der FIG. 1 umfasst dieser einen Detektionswellenleiter 122, sowie einen Beleuchtungswellenleiter 112. Als allgemeine Regel wäre es denkbar, dass der Photonik-Chip 101 entweder den Detektionswellenleiter 122 oder den Beleuchtungswellenleiter 112 umfasst.

Der Detektionswellenleiter 120 weist eine zumindest partiell periodische Struktur 123 auf, die z.B. durch eine Vielzahl von Volumenhologrammen oder ein Reliefgitter auf einer Oberfläche des Detektionswellenleiters 120 implementiert ist. Die partiell periodische Struktur 123 könnte auch mittels einer Folie aufgeklebt sein. Die zumindest partiell periodische Struktur 123 könnte einen refraktiven und/oder reflektiven Strahlformungsanteil aufweisen; beispielsweise könnte die zumindest partiell periodische Struktur 123 in einem solchen Fall eine Fresnel-Linse implementieren. Verschiedene Beispiele betreffend die Implementierung der partiell periodischen Struktur 123 wurden obenstehend im Zusammenhang mit TAB. 1 erläutert.

Dabei ist die zumindest partiell periodische Struktur 123 eingerichtet, um Licht 152 aus einer Umgebung des Detektionswellenleiter 122 in den Detektionswellenleiter 122 einzukoppeln. Z.B. kann die zumindest partiell periodische Struktur eingerichtet sein, um das Licht 152 mit einer abbildenden optischen Funktion zu übertragen. Dabei können unterschiedliche Bildpunkte dieser abbildenden optischen Funktion mit unterschiedlichen Wellenlängen des Lichts 152 assoziiert sein. Die Einkoppeleffizienz kann - je nach Einfallswinkel - selektiv hoch sein für bestimmte Wellenlängen (Wellenlängenselektivität). Das bedeutet, dass zum Beispiel Wellenlängen-aufgelöst unterschiedliche Prozesse in unterschiedlichen Reaktionskammern detektiert werden können.

In der relativen Positionierung des Labor-Chips 201 in Bezug auf den Photonik-Chip 101 , wie in FIG. 1 dargestellt ist, befinden sich die ein oder mehreren Reaktionskam- mern 211 in dieser Umgebung. Das bedeutet, dass das Licht 152 aus den ein oder mehreren Reaktionskammern in den Detektionswellenleiter 122 eingekoppelt wird. Dieses Licht 152 durchläuft dann den Detektionswellenleiter 122 und wird über eine Auskoppelstruktur 124 zu einem Detektor 121 - beispielsweise einem Mehrpixel-De- tektor - geleitet. Der Detektor kann von einer Recheneinheit 180 angesteuert werden, um Bilder zu erfassen.

Die zumindest partiell periodische Struktur 123 bildet also einen Einkoppelbereich aus. Die zumindest partiell periodische Struktur 123 und der Auskoppelbereich 124 sind eingerichtet, um ein Abbild der ein oder mehreren Reaktionskammern 211 auf einer sensitiven Fläche des Detektors 121 zu erzeugen.

Der Beleuchtungswellenleiter 112 ist zwischen einer Lichtquelle 111 - die auch von der Recheneinheit 180 angesteuert werden kann, um Licht 151 auszusenden - und den ein oder mehreren Reaktionskammern 211 angeordnet. Der Beleuchtungswellenleiter 112 umfasst eine zumindest partiell periodische Struktur 113 - vgl. TAB. 1 für verschiedene Optionen. Die zumindest partiell periodische Struktur 113 ist eingerichtet, um das Licht 151 aus dem Beleuchtungswellenleiter 112 in die Umgebung des Beleuchtungswellenleiters 112 auszukoppeln, wobei sich die ein oder mehreren Reaktionskammern 211 in der Umgebung befinden.

Die zumindest partiell periodische Struktur 113 kann grundsätzlich gleich oder entsprechend der zumindest partiell periodischen Struktur 123 ausgebildet sein.

Der Beleuchtungswellenleiter 112 kann auch eine Einkoppelstruktur in der Nähe der Lichtquelle 111 umfassen, um das Licht 151 in den Beleuchtungswellenleiter 112 einzukoppeln (in FIG. 1 nicht gezeigt). Die Einkoppelstuktur könnte wiederum als zumindest partiell periodische Struktur - vgl. TAB. 1 - ausgebildet sein.

Die zumindest partiell periodische Struktur 113 - beispielsweise in Kombination mit einer Einkoppelstruktur des Beleuchtungswellenleiters 112 - kann eingerichtet sein, um das Licht 151 mit einer abbildenden optischen Funktion zu übertragen. Unterschiedliche Bildpunkte der abbildenden optischen Funktion können dabei an unterschiedlichen Positionen einer bestimmten Reaktionskammer 211 positioniert sein; o- der aber auch in unterschiedlichen Reaktionskammern. Unterschiedliche Bildpunkte der abbildenden optischen Funktion können mit unterschiedlichen Wellenlängen des Lichts 151 assoziiert sein, d.h. es kann eine Wellenlängenselektivität vorgesehen sein. Das bedeutet, dass zum Beispiel Wellenlängen-aufgelöst unterschiedliche Prozesse in unterschiedlichen Reaktionskammern angeregt werden können.

Im Beispiel der FIG. 1 ist dargestellt, dass das Licht 151 von der Lichtquelle 111 ausgesendet wird und das Licht 152 durch den Detektionswellenleiter 122 detektiert wird. Zum Beispiel könnte das Licht 152 durch Fluoreszenz von Material in einer der Reaktionskammern 211 erzeugt werden, wobei die Fluoreszenz durch das Licht 151 stimuliert wird. In anderen Beispielen wäre es auch denkbar, dass direkt das von der Lichtquelle 111 ausgesendete Licht 151 vom Detektionswellenleiter 122 zum Detektor 121 geführt wird. Eine entsprechende Selektion kann wiederum basierend auf der Wellenlängen-Abhängigkeit der abbildenden optischen Funktionen der partiell periodischen Strukturen 113, 123 erfolgen. Beispielsweise könnte die Recheneinheit 180 eingerichtet sein, um die Lichtquelle 111 zeitabhängig so anzusteuern, um das Licht 151 in den optischen Beleuchtungswellenleiter 112 mit einer einstellbaren Wellenlänge einzuspeisen, die in Abhängigkeit von der Wellenlängenabhängigkeit der optischen abbildenden Funktion der partiell periodischen Struktur 113 und optional der partiell periodischen Struktur 123 ausgewählt ist. Zeitkorrelierend könnten entsprechende Pixel des Mehrpixel-Detektors 121 ausgelesen werden, die derselben Wellenlänge zugeordnet sind. Das bedeutet also, dass die Recheneinheit 180 die Wellenlängenselektivität der partiell periodischen Strukturen 113, 123 berücksichtigen kann.

In FIG. 1 ist auch dargestellt, dass die Recheneinheit 180 das mikrofluidischen Netzwerk 212 steuern kann, was im Allgemeinen optional ist. Zum Beispiel könnten bestimmte Mikroventile usw. gesteuert werden. Dies kann koordiniert mit der Ansteuerung der Lichtquelle 111 und/oder des Detektors 121 erfolgen.

In FIG. 1 ist dargestellt, dass weiteres Licht 153 durch die zumindest partiell periodische Struktur 123 hindurchtritt und die ein oder mehreren Reaktionskammern 211 durchläuft. Dieses weitere Licht 153 kann zum Beispiel von einem Beleuchtungsmodul einer Mikroskopievorrichtung ausgesendet werden und in ein Objektiv der Mikroskopievorrichtung gelangen. Derart kann gleichzeitig mittels des Detektors 121 gemessen werden, und es können Bilder mittels der Mikroskopievorrichtung erfasst werden. Dies wird ermöglicht, weil die zumindest partiell periodische Struktur 123 zumindest teiltransparent für Licht im entsprechenden Wellenlängenbereich, beispielsweise für sichtbares Licht, ist. Ausgehend von der schematischen Illustration des Chiplabor-Systems 100 wird nachfolgend im Zusammenhang mit den FIGs. 2 und 3 eine mögliche strukturelle Implementierung diskutiert. Dabei zeigt FIG. 2 eine Aufsicht auf das Chiplabor-System 100 und FIG. 3 zeigt eine Seitenansicht. Dabei ist die dargestellte strukturelle Implementierung - hier in Durchsichtgeometrie, das heißt das mikrofluidische Netzwerk 212 ist zwischen den Wellenleitern 112, 122 angeordnet - nur ein Beispiel. Es könnte auch in Auflichtgeometrie gemessen werden.

Im dargestellten Beispiel umfasst das mikrofluidische Netzwerk 212 mehrere Zuleitungen 221 , 222 zu mehreren Reaktionskammern 211 -1 - 211-3 (die Quellen sind in FIG. 2 nicht dargestellt).

Aus FIG. 3 ist ersichtlich, dass durch abbildenden optischen Funktionen der partiell periodischen Struktur 113, sowie der partiell periodischen Struktur 123 - etwa in Kombination mit der entsprechenden Wellenlängenabhängigkeit (diese Wellenlängenabhängigkeit würde bedeutet, dass die verschiedenen Strahlen in FIG. 3 die Propagation von Licht mit verschiedenen Wellenlängen indizieren) - unterschiedliche Reaktionskammern 211 -1 - 211 -3 selektiv beleuchtet werden können (indem z.B. die Lichtquelle 111 zum Aussenden von entsprechendem Licht angesteuert wird) und das von den verschiedenen Reaktionskammern ausgesendete Licht 152 auf unterschiedliche Pixel (in FIG. 3 angedeutet) einer sensitiven Fläche des Detektors 121 abgebildet werden kann.

Eine andere Situation ist in FIG. 4 dargestellt. FIG. 4 entspricht grundsätzlich FIG. 3, wobei das in FIG. 4 dargestellt Chiplabor-System 100 eine einzelne Reaktionskammer 211 umfasst. Die zumindest partiell periodische Struktur 123 und der Auskoppelbereich 124 sind eingerichtet, um Bildpunkte des Abbilds, die Objektpunkten an unterschiedlichen Positionen innerhalb der Reaktionskammer 211 entsprechen, auf unterschiedliche Pixel des Mehrpixel-Detektors 121 abzubilden.

FIG. 5 - die grds. FIG. 3 entspricht - illustriert, wie durch die teiltransparent der Ausbildung der optischen Wellenleiter 112, 122 parallel mit weiterem Licht 153 einer Mikroskopievorrichtung gemessen werden kann.

FIG. 6 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens. Zunächst kann in optionaler Box 3005 der Labor-Chip 201 in Bezug auf den Photo- nik-Chip 101 angeordnet werden. Zum Beispiel könnte dazu das Führungselement 299 verwendet werden, etwa um den Labor-Chip 201 zwischen die beiden Wellenleiter 112, 122 einzuschieben. Dadurch wird das Chiplabor-System 100 ausgebildet. Es könnte eine automatisierte Anordnung erfolgen, z.B. in einer Fließband-Anwendung (vgl. FIG. 12).

Box 3005 kann entfallen, wenn das mikrofluidische Netzwerk 212 und die ein oder mehreren Wellenleiter 112, 122 auf einem einzigen Substrat integriert sind.

Optional wäre es dann möglich, in Box 3010, das Chiplabor-System 100 auf einem Probenhalter einer Mikroskopievomchtung zu fixieren, vergleiche FIG. 5.

Dann kann die Messung durchgeführt werden, wie in Box 3015 gezeigt. Dazu könnte die Recheneinheit 180 sowohl die Lichtquelle 111 , wie auch den Detektor 121 ansteuern.

Dies kann synchronisiert erfolgen. Beispielsweise könnte je nach verwendeter Wellenlänge der Lichtquelle 111 eine unterschiedliche Reaktionskammer adressiert werden, was dem Auslesen eines entsprechenden Pixels des Mehrpixel-Detektors 121 entspricht. Dabei wird die Wellenlängenabhängigkeit der abbildenden optischen Funktionen der Aus-/und Einkoppelbereiche berücksichtigt. Dies kann durch geeignete Ausbildung von Volumenhologrammen erzielt werden. Eine weitere Variante bestünde in der Verwendung einer Fresnel-Linse, d.h. mit refraktivem Anteil, zusätzlich zum diffraktivem Anteil.

Zeitgleich zu Box 3015 könnte in optionaler Box 3020 auch eine Bilderfassung mit der Mikroskopievomchtung erfolgen.

In optionaler Box 3025 kann man einer Auswertung erfolgen. Zum Beispiel wäre es möglich, - etwa mittels der Recheneinheit 180 - Objekte eines vorgegebenen Typs im Bild des Mehrpixel-Detektors, wie aus Box 3015 erhalten - zu zählen. Derart können zum Beispiel Anwendungen wie eine Blutanalyse oder auch eine Malariadetektion implementiert werden. Als nächstes werden verschiedene Varianten zur Implementierung einer zumindest partiell periodischen Struktur gemäß den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen im Zusammenhang mit den nachfolgenden Figuren erläutert. Dabei werden verschiedene Varianten im Zusammenhang mit dem Detektionswellenleiter 122 erläutert, so dass dieser einen Einkoppelbereich implementieren. Entsprechende Varianten können aber auch im Zusammenhang mit einem anderen optischen Wellenleiter, etwa dem Beleuchtungswellenleiter 112 verwendet werden. Entsprechende Varianten können auch einen Auskoppelbereich implementieren.

FIG. 7 illustriert Aspekte im Zusammenhang mit einer partiell periodischen Struktur

501 , die als diffraktive Gitterstruktur implementiert ist (vergleiche TAB. 1 : Beispiel I, Beispiel IV). Dabei ist die diffraktive Gitterstruktur 501 - ein DOE - auf einer Oberseite 122-1 des Detektionswellenleiter 122 integriert, d.h. als Oberflächenrelief (etwa durch Hitze-induzierten Materialabtrag mittels Laser-Schreiben, oder durch Stempelverfahren hergestellt). Mittels der diffraktiven Gitterstruktur 601 im Beispiel der FIG. 7 kann Licht über die Unterseite 122-2 eingekoppelt werden. Die diffraktive Gitterstruktur 501 könnte alternativ oder zusätzlich auch auf der Unterseite 122-2 - d.h. der Reaktionskammer zugewendet - angeordnet sein.

Zum Beispiel könnte eine dem Detektionswellenleiter 122 abgewendete Seite der diffraktiven Gitterstruktur 501 mit einem reflektierenden Material oder einem absorbierenden Material beschichtet sein. Derart kann eine intrinsische Wellenlängenselektivität der diffraktiven Gitterstruktur 501 modifiziert werden.

Die Dicke der diffraktiven Gitterstruktur 501 ist klein im Vergleich zur Dicke des Detektionswellenleiters 122. Dadurch kann ein hoher Integrationsgrad erreicht werden.

FIG. 8 illustriert Aspekte im Zusammenhang mit einer partiell periodischen Struktur

502, hier als diffraktives Volumenhologramm implementiert (vgl. TAB. 1 , Beispiel II). Durch Modulation des Brechungsindex kann eine diffraktive, strahlformende Wirkung erzielt werden. Das Volumenhologramm 502 ist in den Detektionswellenleiter 122 eingebettet. Es könnten auch benachbart mehrere Volumenhologramme verwendet werden (Multiplexen).

FIG. 9 illustriert Aspekte im Zusammenhang mit einer partiell periodischen Struktur

503, hier als refraktive Fresnel-Struktur implementiert (vergleiche TAB. 1 : Beispiel V). Aus einem Vergleich der FIG. 7 mit der FIG. 9 geht hervor, dass die refraktive periodische Struktur 503 eine größere Periodizität aufweist und außerdem die Dicke der Struktur senkrecht zur Breite des Detektionswellenleiters 122 größer ist, als die entsprechenden Kenngrößen der Gitterstruktur 501 . Insb. ist die Dicke der refraktiven Gitterstruktur 503 nicht klein im Vergleich zur Dicke des Detektionswellenleiters 122.

Beispielsweise wären typische Dicken des DOE 501 auf FIG. 7 im Bereich von 0,5 bis 10 pm; und typische Dicken der refraktiven Struktur 503 aus FIG. 9 im Bereich 80 pm oder größer.

Die verschiedenen Fresnel-Einheiten der Fresnel-Struktur können jeweils gekrümmte Oberflächen aufweisen (in FIG. 9 nicht gezeigt), um eine refraktive abbildende Wirkung zu erzeugen.

Die Periodizität der reflektiven periodischen Struktur 503 kann einer Ortsauflösung einer abbildenden optischen Funktion entsprechen. Das heißt dass ein entsprechender Bildpunkt für jede Fresnel-Einheit erhalten werden kann. Das bedeutet also, dass die verschiedenen Fresnel-Einheiten einer Fresnel-Struktur zum Beispiel unterschiedlichen Reaktionskammern, die durch unterschiedliche Bildpunkte abgebildet werden sollen, zugeordnet sein können (vgl. FIG. 3). Im Gegensatz dazu können viele Gittereinheitszellen der diffraktiven Gitterstruktur 501 aus FIG. 7 (mittels konstruktiver oder destruktiver Interferenz) phasenkohärent Zusammenwirken, um einen Ortspunkt einer entsprechenden abbildenden optischen Funktion zu definieren.

Es wäre möglich, dass ein oder mehrere Filter-Schichten auf der Fresnel-Struktur 503 aufgebracht sind. Zum Beispiel könnten unterschiedliche „Prisma“-Einheiten der Fresnel-Struktur 503 mit unterschiedlichen Filtern beschichtet sein, das heißt z.B. Filtern, die verschiedene Wellenlängen absorbieren. Derart kann eine Wellenlängenabhängigkeit der Einkopplung von Licht erzielt werden, insbesondere zum Beispiel eine verschiedene Wellenlängenabhängigkeit für unterschiedliche Ortspunkte einer abbildenden Funktion.

FIG. 10 illustriert Aspekte im Zusammenhang mit einer partiell periodischen Struktur 504, hier als kombiniert diffraktive-refraktive Struktur ausgebildet (vgl. TAB. 1 , Beispiel III). Im Beispiel der FIG. 10 ist auf der Unterseite 122-2 des Detektionswellenleiters 122 eine Gitterstruktur vorgesehen und auf der Oberseite 122-1 eine Fresnel- Struktur. Die Gitterstruktur und die Fresnel-Struktur könnten auch zusammen auf derselben Seite integriert sein. Beispielsweise könnten Aberrationen der Fresnel- Struktur durch die diffraktive Struktur reduziert oder kompensiert werden.

FIG. 11 illustriert Aspekte im Zusammenhang mit einer nicht periodischen Struktur, als Referenz. Die nicht periodische Struktur ist vergleichsweise dick und verhindert derart eine hohe Integration des Einkoppelbereichs, im Vergleich zu den Varianten der zumindest partiell periodischen Strukturen in FIG. 7 des FIG. 10.

FIG. 12 illustriert Aspekte im Zusammenhang mit einer möglichen Implementierung des Chiplabor-Systems 100. Im Beispiel der FIG. 12 sind der Labor-Chip 201 und der Photonik-Chip 101 nicht in einer „Sandwich-Struktur“ gemäß den Beispielen aus FIG. 2 bis FIG. 5 angeordnet, sondern seitlich zueinander. Dies entspricht einer „Auflicht- Geometrie“, im Gegensatz zu einer „Durchlicht-Geometrie“ gemäß FIG. 2 bis FIG. 5. Dies bedeutet, dass in Reflektionen gemessen werden kann; das bedeutet, dass das Licht vom Beleuchtungswellenleiter ausgesendete Licht in ein oder mehreren Reaktionskammern 211 reflektiert wird, und dann über den Detektionswellenleiter in Reflek- tion gesammelt wird.

Eine solche Auflicht-Geometrie hat bestimmte Vorteile. Beispielsweise kann es entbehrlich sein, einen mechanischen Eingriff mittels eines Führungselements 299 zwischen dem Labor-Chip 201 und dem Photonik-Chip 101 herzustellen. Das Führungselement kann entfallen. Es könnte möglich sein, in einer seriellen automatisierten Prozessierung mehrere Labor-Chips 201 , 201-1 , 201-2 in einer Messposition in Bezug auf den Photonik-Chip 101 zu platzieren (i FIG. 12 durch den horizontalen Pfeil angedeutet), zum Beispiel unter Verwendung eines Förderbands oder eines „Pick- und-Place“-Automaten. Die optische Kopplung erfolgt nur über eine Grenzfläche, was die Relativpositionierung einfacher werden lässt. Der können hohe Durchsatz an unterschiedlichen Messungen erzielt werden.

Zusammenfassend wurden voranstehend Techniken beschrieben, die eine besonders hohe Integration eines Chiplabor-Systems ermöglichen. Insbesondere kann die optische Detektion und/oder die optische Beleuchtung oder Anregung mit einem hohen Integrationsgrad bereitgestellt werden. Dies kann ermöglicht werden durch die Verwendung von ein oder mehreren zumindest partiell periodischen optischen Strukturen, die eine Funktionalisierung eines Beleuchtungswellenleiters und/oder eines Detektionswellenleiters ermöglichen. Derart kann auf klassische separate Linsenelemente oder separate Prismen verzichtet werden, die typischerweise vergleichsweise viel Platz in Anspruch nehmen würden. Gleichzeitig kann durch geeignete Ausbildung der zumindest partiell periodischen optischen Strukturen eine effiziente Einkopplung und/oder Auskopplung von Licht in und/oder aus entsprechenden Wellenleitern erreicht werden. Diese effiziente Einkopplung und/oder Auskopplung kann durch weitere Funktionalisierung ergänzt werden, etwa eine maßgeschneiderte Wellenlängenabhängigkeit, die angepasst ist auf das zu untersuchende mikrofluidischen Labor. Außerdem könnten Abbildungen von unterschiedlichen Ortspunkten innerhalb einer Reaktionskammer verwendet werden, um auch komplizierte zählende Anwendungen zu ermöglichen. Störendes Licht - etwa durch Fluoreszenz des Substrats - kann gefiltert werden. Es wurden obenstehend auch unterschiedliche strukturelle Implementierungen des Chiplabor-Systems beschrieben, die für unterschiedliche Anwendungsfälle - etwa Einzelfall-Erprobung oder Massentests - geeignet sind, wobei hier die Entkopplung von Optik und M ikrofluidik durch entsprechende mechanische Konfiguration (Führungselement, Auflicht-Geometrie versus Durchlicht-Geometrie) auf den entsprechenden Anwendungsfall angepasst werden kann.

Selbstverständlich können die Merkmale der vorab beschriebenen Ausführungsformen und Aspekte der Erfindung miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale nicht nur in den beschriebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder für sich genommen verwendet werden, ohne das Gebiet der Erfindung zu verlassen.

Beispielsweise wurden voranstehend verschiedene Implementierungen eines Chiplabor-Systems mit einem Detektionswellenleiter mit einer partiell periodischen Struktur zur Einkopplung von Licht beschrieben. Es wäre auch möglich, dass ein Chiplabor- System nur mit einem Beleuchtungswellenleiter mit einer entsprechend konfigurierten partiell periodischen Struktur verwendet wird. Es wäre auch möglich - beispielsweise, wenn zeitlich getrennt beleuchtet und detektiert wird -, dass derselbe optische Wellenleiter sowohl zur Beleuchtung, wie auch zur Detektion verwendet wird, das heißt dieselbe zumindest partiell periodische Struktur einmal zur Auskopplung von Licht und einmal zur Einkopplung von Licht verwendet wird. Dann kann ein Strahlteiler verwendet werden, um das detektierte Licht zu einem Detektor zu führen und das auszusenden Licht von einer Lichtquelle zu empfangen.