Ziele der vorliegenden Erfindung sind die Bereitstellung von optischen und analytischen Messanordungen für einen hochempfindlichen Nachweis eines oder mehrerer Analyten mit einer Vielzahl von Messbereichen auf einem gemeinsamen Träger.

Unter der Bezeichnung"Biochips"sind in den letzten Jahren diverse Messanordnungen zur Multianalytbestimmung bekannt geworden, bei denen auf einem Träger, beispielsweise einem Glas-oder Mikroskop-Plättchen, eine Vielzahl von unterschiedlichen biologischen oder biochemischen Erkennungselementen immobilisiert ist, an welche die verschiedenen Analyten während des Nachweisverfahrens gebunden werden. Meistens erfolgt der Nachweis mit optischen Methoden, beispielsweise durch Bestimmung der Lumineszenz, oder spezifischer Fluoreszenz, von sogenannten Lumineszenz-oder Fluoreszenzlabeln, welche während des Verfahrens eingesetzt werden. Die diskreten Messfelder mit unterschiedlichen Erkennungselementen werden in der Regel als"Features"bezeichnet.

Beispielsweise werden in der US 5,445,934 (Affymax Technologies) Arrays von Oligonukleotiden mit einer Dichte von mehr als 1000 Features pro Quadratzentimeter beschrieben und beansprucht. Die Anregung und das Auslegen solcher Arrays beruht auf klassischen optischen Anordnungen und Methoden (Epifluoreszenzanregung und- detektion, d. h. direkte Beleuchtung der Features oder Messbereiche-siehe unten-in einer Auflichtanordnung). Es kann das ganze Array gleichzeitig mit einem aufgeweiteten Anregungslichtbündel beleuchtet werden, was jedoch zu einer relativ geringen Empfindlichkeit führt, da der Streulichtanteil relativ gross ist und Streulicht oder Untergrundfluoreszenzlicht aus dem Glassubstrat auch in den Bereichen erzeugt wird, in denen sich keine zur Bindung des Analyten immobilisierten Oligonukleotide befinden. Um die Anregung und Detektion auf die Bereiche der immobilisierten Features zu beschränken und Lichterzeugung in den Nachbarbereichen zu unterdrücken, werden vielfach konfokale mikroskopische Messanordnungen eingesetzt und die verschiedenen Features sequentiell mittels"Scannen", d. h. sequentieller Anregung und Lumineszenzdetektion mittels Translation des Anregungslichtspunkts auf dem Glassubstrat mittels beweglicher Spiegel oder Translation des Glassubstrats bezüglich des Anregungslichtstrahls, ausgelesen. Ein solcher Scanner wird beispielsweise in der US 5,631,734 beschrieben und beansprucht. Die sequentielle Anregung und Detektion diskreter Messbereiche hat jedoch einen relativ grossen Zeitaufwand zum Auslesen eines Arrays mit einer hohen Anzahl von Features zur Folge. Ausserdem ist die Empfindlichkeit solcher klassischer Anregungs-und Detektionsanordnungen, mit einer direkten Bestrahlung der Messbereiche, verbunden mit der gleichzeitigen Beleuchtung eines gegebenenfalls darüber befindlichen Flüssigkeitsvolumens, für viele Anwendungen nicht ausreichend. Die Empfindlichkeit der gegenwärtig besten Scanner wird mit Nachweisgrenzen in der Grössenordnung zwischen 0.1 und einem Fluorophor pro pm2 angegeben.

Zur Erreichung tieferer Nachweisgrenzen sind Messanordnungen entwickelt worden, in denen der Nachweis des Analyten auf dessen Wechselwirkung mit dem evaneszenten Feld beruht, welches mit der Lichtleitung in einem optischen Wellenleiter verbunden ist, wobei auf der Oberfläche des Wellenleiters biochemische oder biologische Erkennungselemente zur spezifischen Erkennung und Bindung der Analytmoleküle immobilisiert sind. Koppelt man eine Lichtwelle in einen optischen Wellenleiter ein, der von optisch dünneren Medien, d. h. Medien mit niedrigerem Brechungsindex, umgeben ist, so wird sie durch Totalreflektion an den Grenzflächen der wellenleitenden Schicht geführt. In die optisch dünneren Medien tritt dabei ein Bruchteil des geführten Lichts ein. Diesen Anteil bezeichnet man als evaneszentes oder quergedämpftes Feld. Die Stärke des evaneszenten Feldes ist sehr stark abhängig von der Dicke der wellenleitenden Schicht selbst sowie vom Verhältnis der Brechungsindices der wellenleitenden Schicht und der sie umgebenden Medien. Bei dünnen Wellenleitern, d. h. Schichtdicken von derselben oder niedrigerer Dicke als der zu führenden Wellenlänge, können diskrete Moden des geleiteten Lichts unterschieden werden.

Derartige Verfahren haben den Vorteil, dass die Wechselwirkung mit dem Analyten auf die Eindringtiefe des evaneszenten Feldes ins angrenzende Medium, in der Grössenordnung von einigen hundert Nanometern, beschränkt ist und Störsignale aus der Tiefe des Mediums weitgehend vermieden werden können. Die ersten vorgeschlagenen derartigen Messanordnungen beruhten auf hochmultimodalen, selbsttragenden Einschichtwellenleitern, wie beispielsweise Fasern oder Plättchen aus transparentem Kunststoff oder Glas, mit Stärken von einigen hundert Mikrometern bis zu mehreren Millimetern.

In der WO 94/27137 werden Messanordnungen beschrieben, in denen"Patches"mit unterschiedlichen Erkennungselementen, zum Nachweis unterschiedlicher Analyten, auf einem selbstragenden optischen Substratwellenleiter (Einschichtwellenleiter) mit Stimflächenlichteinkopplung immobilisiert sind, wobei die räumlich selektive Immobilisierung mittels photoaktivierbarer Crosslinker erfolgt. Gemäss der gegebenen Beschreibung können mehrere Patches in Reihe in gemeinsamen parallelen Flusskanälen oder Probenbehältnissen angeordnet sein, wobei sich die parallelen Flusskanäle oder Probenbehältnisse über die gesamte Länge des als Sensor genutzten Bereichs des Wellenleiters erstrecken, um eine Beeinträchtigung der Lichtleitung im Wellenleiter zu vermeiden. Hinweise auf eine zweidimensionale Integration einer Vielzahl von Patches und Probenbehältnissen werden jedoch nicht gegeben. In einer ähnlichen Anordnung werden in der WO 97/35203 verschiedene Ausführungsformen einer Anordnung beschrieben, in der in parallelen, separaten Flusskanälen oder Probenbehältnissen für die Probe und Kalibrationslösungen niedriger und gegebenenfalls zusätzlich hoher Analytkonzentration unterschiedliche Erkennungselemente zur Bestimmung verschiedener Analyten jeweils immobilisiert sind. Auch hier wird jedoch keinerlei Hinweis auf mögliche 2-dimensionale Anordnungen gegeben.

Zur Verbesserung der Empfindlichkeit und gleichzeitig einfacheren Herstellung in Massenfabrikation wurden planare Dünnschichtwellenleiter vorgeschlagen. Ein planarer Dünnschichtwellenleiter besteht im einfachsten Fall aus einem Dreischichtsystem : Trägermaterial, wellenleitende Schicht, Superstrat (bzw. zu untersuchende Probe), wobei die wellenleitende Schicht den höchsten Brechungsindex besitzt. Zusätzliche Zwischenschichten können die Wirkung des planaren Wellenleiters noch verbessern.

Es sind verschiedene Verfahren für die Einkopplung von Anregungslicht in einen planaren Wellenleiter bekannt. Die am frühesten benutzten Verfahren beruhen auf Stimflächenkopplung oder Prismenkopplung, wobei zur Verminderung von Reflexionen infolge von Luftspalten im allgemeinen eine Flüssigkeit zwischen Prisma und Wellenleiter aufgebracht wird. Diese beiden Methoden sind vor allem in Verbindung mit Wellenleitern relativ grosser Schichtdicke, d. h. insbesondere selbsttragenden Wellenleitern, sowie bei einem Brechungsindex des Wellenleiters von deutlich unter 2 geeignet. Zur Einkopplung von Anregungslicht in sehr dünne, hochbrechende wellenleitende Schichten ist demgegenüber die Verwendung von Koppelgittern eine wesentlich elegantere Methode.

Dabei erfolgt die Einkopplung des auf das Koppelgitter eingestrahlten Anregungslichtes in die wellenleitende Schicht, in der das Gitter moduliert ist, wenn beim Erreichen des Koppelwinkels die Resonanzbedingung für die Einkopplung erfüllt ist. Der jeweilige Einkoppelwinkel für Anregungslicht einer bestimmten Wellenlänge ist abhängig vom Brechungsindex der wellenleitenden Schicht und der benachbarten Medien (Trägerschicht oder Substrat und"Superstrat"), der Dicke der wellenleitenden Schicht, der einzukoppelnden Beugungsordnung (für effiziente Einkopplung i. a. die erste Beugungsordnung) sowie der Gitterperiode. Im Falle von sehr dünnen wellenleitenden Filmen (von etwa 100 nm bis 200 nm bei einem Brechungsindex > 2) gibt es für die Einkopplung von transversal elektrisch polarisisiertem und transversal magnetisch polarisiertem Licht jeweils nur einen diskreten Koppelwinkel zur Einkopplung des TEo- bzw. TMo-Modes. Diese Wellenleiter bezeichnet man als monomodal. Der Einkoppelwinkel ändert sich mit der Anregungswellenlänge. Für Dünnschichtwellenleiter, wie sie im weiteren noch genauer beschrieben werden, mit einer wellenleitenden Schicht von Brechungsindex 2.2 und ca. 150 nm Schichtdicke auf einem Glassubstrat (n = 1.52 ; Angaben für Anregungslicht von 633 nm Wellenlänge) ändert sich der Koppelwinkel um etwa 0.2° bei 1 nm Wellenlängenänderung (bei Einkoppelwinkeln zwischen etwa +30° und -30° Abweichung von der Normalen zum Wellenleiter).

Erfahrungsgemäss sind für eine effiziente Einkopplung Koppelwinkel im Bereich zwischen etwa +30° und-30° Abweichung von der Normalen zum Wellenleiter zu bevorzugen, insbesondere auch um die Anregung sogenannter Substratmoden, d. h. von nicht in der hochbrechenden wellenleitenden Schicht, sondern teilweise im darunter befindlichen Substrat, zu vermeiden, da durch die Entstehung der Substratmoden das evaneszente Feld für den Lumineszenznachweis eines Analyten vermindert wird.

Die Schärfe der Koppelbedingung ist, neben den genannten Parametern, vor allem von der Tiefe der Koppelgitter abhängig. Tendenziell ist der Resonanzwinkel für flache Gitter (von beispielsweise 5 nm-10 nm Gittertiefe) deutlich schärfer definiert (mit einer Halbwertsbreite in der Grössenordnung von 0.01° und darunter) als für tiefe Gitter (vom mehr als beispielsweise 25 nm Gittertiefe). Allerdings ist prinzipiell die Beugungswirkung eines Gitters umso grösser, je tiefer das Gitter ist. Daraus lässt sich allerdings noch nicht direkt auf die Effizienz der Einkopplung in den wellenleitenden Film, mit einem unstrukturierten Bereich im Anschluss an das Einkoppelgitter, schliessen ; denn mit steigender Gittertiefe steigt nicht nur die Effizienz der Einkopplung, sondern auch der sofortigen Wiederauskopplung, welche in derselben Richtung wie die Reflektion am Gitter erfolgt. Daher gibt es für die grösstmögliche Einkoppeleffizienz eine optimale Gittertiefe (unter den genannten Bedingungen im Bereich zwischen 10 nm und 20 nm), welche ausser von den bereits genannten Parametern auch noch von der Geometrie des eingestrahlten Lichtstrahls abhängig ist.

Die genannten Parameter sind von grosser Bedeutung für die Toleranzen und geforderte Präzision für die Herstellung der optischen und mechanischen Komponenten eines geeigneten analytischen Systems zur Lumineszenzanregung und-detektion mit planaren Dünnschichtwellenleitern.

Mit dem Begriff"Lumineszenz"wird in dieser Anmeldung die spontane Emission von Photonen im ultravioletten bis infraroten Bereich nach optischer oder nichtoptischer, wie beispielsweise elektrischer oder chemischer oder biochemischer oder thermischer Anregung, bezeichnet. Beispielsweise sind Chemilumineszenz, Biolumineszenz, Elektrolumineszenz und insbesondere Fluoreszenz und Phosphoreszenz unter dem Begriff "Lumineszenz"mit eingeschlossen.

Mittels hochbrechender Dünnschichtwellenleiter, in Kombination mit Lumineszenzdetektion, basierend auf einem nur einige hundert Nanometer dünnen wellenleitenden Film auf einem transparenten Trägermaterial, konnte in den letzten Jahren die Empfindlichkeit deutlich gesteigert werden. Mittels solcher Anordnungen werden Nachweisgrenzen zwischen 0.01 und 0.001 Fluorophoren pro lem2, erreicht. Beispielsweise wird in der WO 95/33197 eine Methode beschrieben, in der das Anregungslicht über ein Reliefgitter als diffraktives optisches Element in den wellenleitenden Film eingekoppelt wird. Die im evaneszenten Feld angeregte, aber isotrop abgestrahlte Lumineszenz in der Eindringtiefe des evaneszenten Feldes befindlicher lumineszenzfähiger Substanzen wird mittels geeigneter Messvorrichtungen, wie zum Beispiel Photodioden, Photomultiplier oder CCD-Kameras, gemessen. Es ist auch möglich, den in den Wellenleiter rückgekoppelten Anteil der evaneszent angeregten Strahlung über ein diffraktives optisches Element, zum Beispiel ein Gitter, auszukoppeln und zu messen. Diese Methode ist zum Beispiel in der WO 95/33198 beschrieben.

Zur gleichzeitigen oder aufeinanderfolgenden Durchführung von ausschliesslich lumineszenzbasierenden Mehrfachmessungen mit im wesentlichen monomodalen, planaren anorganischen Wellenleitern sind, z. B. in der WO 96/35940, Vorrichtungen (Arrays) bekannt geworden, in denen auf einer Sensorplattform wenigstens zwei getrennte wellenleitende Bereiche angeordnet sind, so dass das in einem wellenleitenden Bereich geführte Anregungslicht von anderen wellenleitenden Bereichen getrennt ist.

Im Sinne der vorliegenden Erfindung sollen räumlich getrennte Messbereiche durch die geschlossene Fläche definiert werden, die dort immobilisierte biologische oder biochemische oder synthetische Erkennungselemente zur Erkennung eines Analyten aus einer flüssigen Probe einnehmen. Diese Flächen können dabei eine beliebige Geometrie, beispielsweise die Form von Punkten, Kreisen, Rechtecken, Dreiecken, Ellipsen oder Linien, haben.

Die Ausführungsformen, welche in dem hier zitierten Stand der Technik für optische Systeme zur Fluoreszenz-oder Lumineszenzanregung mit Sensorplattformen auf der Basis von planaren Wellenleitern anhand von Beispielen beschrieben werden, beziehen sich ausnahmslos auf die Anregung mit jeweils einer einzigen Anregungswellenlänge. Zugleich erfordern die beschriebenen Anordnungen im allgemeinen eine manuelle Eingabe und anschliessende sorgfältige Justierung der Sensorplattform bezüglich der Anregungs-und Detektionsoptik. Damit entsprechen die beschriebenen Beispiele im allgemeinen dem Status von Eigenkonstruktionen oder bestenfalls Prototypen, welche zwar von einem Spezialisten, jedoch nicht von einem durchschnittlich ausgebildeten Benutzer ohne vertiefte Spezialkenntnisse, bedient werden können.

Es besteht daher ein Bedürfnis nach einer vom Benutzer leicht zu bedienenden Anordnung zur Vermessung optischer Sensorplattformen mit einer möglichst automatisierten Positionierung.

Insbesondere bei Anwendungen in der Biologie, beispielsweise für die Expressionsanalyse, ist es üblich, verschiedene Fluoreszenzlabel einzusetzen, welche bei unterschiedlichen Wellenlängen angeregt werden. Diesem Bedürfnis wird mit einer Reihe von kommerziell erhältlichen Scannersystemen für die direkte Auflichtanregung entsprochen, indem das Anregungslicht von zwei oder sogar mehr Laserlichtquellen auf die Probe geleitet werden kann. Daher besteht auch ein Bedürfnis nach einem System für die Anregung von Sensorplattformen basierend auf optischen Wellenleitern, welches den Einsatz von mindestens zwei Anregungswellenlängen, ohne Anforderungen an Justierungen durch den Benutzer, ermöglicht.

Die Problemstellung wird durch eine Reihe von Randbedingungen erschwert. Für eine effiziente Erfassung, d. Sammlung des isotrop abgestrahlten Lumineszenz ist der Einsatz von Abbildungsoptiken möglichst hoher numerischer Apertur, vergleichbar mit der Optik eines Mikroskops, wünschenswert, was einen nur geringen Arbeitsabstand zur Sensorplattform zur Folge hat. Zugleich soll die Fläche der Sensorplattform möglichst effizient genutzt, d. h. der ungenutzte Abstand zwischen den Einkoppelgittern und den Messbereichen klein gehalten werden, da der Bereitstellungspreis der Sensorplattform zu einem hohen Anteil flächenabhängig ist. Hieraus ergeben sich geometrische Schwierigkeiten, das Anregungslicht an der Sammeloptik vorbei auf die Sensorplattform zu leiten und zugleich eine Abschattung des Sichtfeldes der Sammeloptik durch gegebenfalls zwischen dieser und der Sensorplattform befindliche strahlumlenkende Komponenten zu vermeiden. Schliesslich ist auch noch darauf zu achten, dass keine direkten Reflektionen von Anregungslicht in die Sammeloptik und von dort weiter zum Detektor gelangen.

Die Problemstellung wird noch dadurch erschwert, dass es für viele Anwendungen auch wünschenswert ist, mit offenen Probenbehältnissen oder offenen Auffangbehältnissen, zur Aufnahme von aus einer Flusszelle austretender Flüssigkeit, nach Durchführung von Spülschritten oder sequentieller Reagentienzugabe, zu arbeiten. Eine solche Problemstellung erfordert eine im wesentlichen horizontale Lagerung der Sensorplattform, so dass eine Anpassung an eine Änderung des Koppelwinkels bei Einstrahlung einer geänderten Anregungswellenlänge nicht oder nur in sehr beschränktem Ausmass durch eine Rotation der Sensorplattform bezüglich der Richtung des eingestrahlten Lichts erfolgen kann.

Die genannten Problemstellungen werden durch die nachfolgend beschriebene Erfindung gelöst. Darüber hinaus eignet sich die erfindungsgemässe optische Anordnung nicht nur für die Lumineszenzanregung und-detektion von Messbereichen auf Sensorplattformen basierend auf planaren optischen Wellenleitern, sondern auch auf solchen Plattformen wie beispielsweise Glasplättchen, wie sie mit konventioneller Epifluoreszenzanregung und- detektion betrieben werden.

Gegenstand der Erfindung ist ein optisches System zur Lumineszenzbestimmung, mit mindestens zwei Anregungslichtquellen, einer Sensorplattform sowie einer optischen Komponente mit mehreren diskreten Facetten zur Strahlumlenkung, dadurch gekennzeichnet, dass der Divergenzwinkel zwischen auf unterschiedliche Facetten der optischen Komponente eintreffendem Anregungslicht in dem von besagter optischer Komponente abgehenden Strahlengang um mindestens einen Faktor 1.2 gegenüber dem ursprünglichen Divergenzwinkel vergrössert oder verkleinert ist.

Wie vorangehend beschrieben, kann sich im Falle von hochbrechenden Dünnschichtwellenleitern als Sensorplattform, mit einem in der hochbrechenden Schicht modulierten diffraktiven Gitter zur Einkopplung von Anregungslicht, der Einkoppelwinkel für Anregungslicht unterschiedlicher Wellenlänge deutlich unterscheiden. Beispielsweise beträgt für Sensorplattformen mit einer 150 nm dünnen wellenleitenden Schicht aus Ta205 (n = 2.15 bei 633 nm) auf Glas (n = 1.52 bei 633 nm) und ca. 12 nm tiefen Gittern mit einer Periode von 318 nm der Einkoppelwinkel für Anregungslicht von 492 nm etwa + 18'und von 670 nm etwa-17° (mit Luft als Medium über dem Koppelgitter). Für eine kompakte Bauweise eines optischen Systems ist es jedoch im allgemeinen wenig vorteilhaft, das Anregungslicht verschiedener Lichtquellen aus einer Vielzahl verschiedener Raumrichtungen aus grösserer Entfernung auf ein gemeinsames Ziel zu lenken, anstatt verschiedene Anregungslichtquellen an einem gemeinsamen Ort in einem Modul zusammenzufassen. Für Ausführungsformen des erfindungsgemässen optischen Systems mit beispielsweise Dünnschichtwellenleitem als Sensorplattformen ist es daher vorteilhaft, wenn der Divergenzwinkel zwischen auf unterschiedliche Facetten der optischen Komponente eintreffendem Anregungslicht in dem von besagter optischer Komponente abgehenden Strahlengang um mindestens einen Faktor 1.2, vorzugsweise jedoch um mehr als einen Faktor 1.5, gegenüber dem ursprünglichen Divergenzwinkel vergrössert ist.

Bei besagter optischer Komponente mit mehreren diskreten Facetten zur Strahlumlenkung kann es sich um einen Multifacettenspiegel mit planaren oder gekrümmten, vorzugsweise planaren Facetten handeln.

In einer anderen, bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen optischen Systems handelt es sich bei besagter optischer Komponente mit mehreren diskreten Facetten zur Strahlumlenkung um ein Multifacettenprisma mit planaren oder gekrümmten, vorzugsweise planaren Facetten.

Im Zusammenhang mit verschiedenen Anregungslichtquellen gleicher oder unterschiedlicher Wellenlänge sind eine Vielzahl verschiedener Ausführungsformen des optischen Systems möglich. Eine mögliche Ausführungsform besteht darin, dass Licht von zwei oder mehr Anregungsquellen gleicher oder unterschiedlicher Wellenlänge auf die gleiche Facette besagter optischer Komponente zur Strahlumlenkung eintrifft. Eine andere mögliche Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass für jede unterschiedliche Anregungswellenlänge eine eigene Facette besagter optischer Komponente vorgesehen ist, auf der besagtes Anregungslicht eintrifft.

Beim Wechsel zwischen Anregungslichtquellen unterschiedlicher Wellenlänge soll das Ausmass notwendiger Justierungen möglichst niedrig gehalten werden, um einerseits die für die Justiervorgänge notwendige Zeit, in denen das System nicht für die Aufnahme von Messdaten bereitsteht, zu minimieren und andererseits die Grosse der Verfahrwege der mechanischen Justierkomponenten, welche sich direkt auf die Systemkosten auswirken, zu minimieren. Daher wird bevorzugt, dass die Strahlumlenkung von Anregungslicht von unterschiedlicher Wellenlänge in vorgegebene unterschiedliche Richtungen mit einem Versatz der Strahlzentren auf besagter Sensorplattform von weniger als 0.2 mm erfolgt.

Zur Erreichung einer hohen Empfindlichkeit in einem Lumineszenznachweisverfahren ist grundsätzlich geboten, die Detektion weitestgehend auf die von dem nachzuweisenden Analyten ausgehenden Lichtsignale zu beschränken und Störsignale, beispielsweise Umgebungslicht, diffus gestreutes oder reflektiertes Anregungslicht von der Signalerfassung auszuschliessen. Daher ist es von Vorteil, wenn ein Multifacettenprisma als optische Komponente zur Strahlumlenkung, als Bestandteil eines erfindungsgemässen optischen Systems, zusätzlich Vorkehrungen umfasst, mit denen Reflexionen des Anregungslichts von der Sensorplattform umgelenkt oder abgeschattet werden. Es können auch eine oder mehrere reflektierende Facetten des Multifacettenprismas teilweise oder ganz verspiegelt sein.

Das erfindungsgemässe optische System kann im optischen Weg des Anregungslichts zwischen der mindestens einen Anregungslichtquelle und der optischen Komponente mit mehreren diskreten Facetten zur Strahlumlenkung zusätzliche optische Elemente zur spektralen Selektion der Anregungswellenlänge, wie beispielsweise Interferenz-oder Kantenfilter, und gegebenenfalls zusätzliche optische Elemente zur Strahlabschwächung, wie beispielsweise optische Neutral-oder Graufilter, gegebenenfalls ausgebildet als Verlaufsfilter mit einem kontinuierlichen Gradienten der Transmission, und/oder weiteren Elementen zur Strahlführung, wie beispielsweise Glasfasern, gegebenenfalls mit damit verbundenen Mikrolinsen oder diffraktiven optischen Elementen, enthalten.

Eine mögliche Ausführungsform des Systems ist dadurch gekennzeichnet, dass als Anregungslichtquellen zwei oder mehr Laser unterschiedlicher Emissionswellenlänge verwendet werden.

Es können zur Erzeugung eines gewünschten Strahlprofils auf der Sensorplattform im Anregungsstrahlengang zwischen den Lichtquellen und der Sensorplattform zusätzliche optische Elemente verwendet werden, welche beispielsweise diffraktive optische Elemente und/oder Linsen zur Strahlaufweitung und/oder Erzeugung eines Parallelstrahls und/ oder Blenden oder Masken zur teilweisen Strahlabschattung umfassen.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen optischen Systems ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorplattform eine Vielzahl von diskreten Messbereichen umfasst, in denen biologische oder biochemische oder synthetische Erkennungselemente zum Nachweis eines oder mehrerer Analyten immobilisiert sind. Dabei können auf der Sensorplattform in einer 2-dimensionalen Anordnung bis zu 100 000 Messbereiche angeordnet sein. Ein einzelner Messbereich kann eine Fläche von 0.001-6 mm2 einnehmen.

Die einfachste Form der Immobilisierung der biologischen oder biochemischen oder synthetischen Erkennungselemente besteht in physikalischer Adsorption, beispielsweise infolge hydrophober Wechselwirkungen zwischen den Erkennungselementen und der Grundplatte. Diese Wechselwirkungen können jedoch durch die Zusammensetzung des Mediums und dessen physikalisch-chemische Eigenschaften, wie beispielsweise Polarität und Ionenstärke, in ihrem Ausmass stark verändert werden. Insbesondere im Falle sequentieller Zugabe verschiedener Reagentien in einem mehrstufigen Assay ist das Haftvermögen der Erkennungselemente nach rein adsorptiver Immobilisierung auf der Oberfläche oft unzureichend. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen optischen Systems wird das Haftvermögen dadurch verbessert, dass zur Immobilisierung biologischer oder biochemischer oder synthetischer Erkennungselemente auf der Sensorplattform eine Haftvermittlungsschicht aufgebracht ist.

Die Haftvermittlungsschicht kann dabei auch, insbesondere im Falle zu immobilisierender biologischer oder biochemischer Erkennungselemente, der Verbesserung der "Biokompatibilität"von deren Umgebung dienen, d. h. der Erhaltung der Bindungsfähigkeit, im Vergleich zu deren natürlicher biologischer oder biochemischer Umgebung, und insbesondere der Vermeidung einer Denaturierung. Es wird bevorzugt, dass die Haftvermittlungsschicht eine Stärke von weniger als 200 nm, vorzugsweise von weniger als 20 nm, hat. Für die Herstellung der Haftvermittlungsschicht eignen sich eine Vielzahl von Materialien. Ohne jegliche Einschränkung wird bevorzugt, dass die Haftvermittlungsschicht eine oder mehrere chemische Verbindungen aus den Gruppen umfasst, die Silane, Epoxide, funktionalisierte, geladene oder polare Polymere und"selbstorganisierte passive oder funktionalisierte Mono-oder Doppelschichten"umfassen.

Ein weiterer wesentlicher Aspekt des erfindungsgemässen optischen Systems ist, dass die biologischen oder biochemischen oder synthetischen Erkennungselemente in räumlich getrennten Messbereichen immobilisiert sind. Diese räumlich getrennten Messbereiche können durch räumlich selektive Aufbringung von biologischen oder biochemischen oder synthetischen Erkennungselementen auf der Sensorplattform erzeugt werden. Für die Aufbringung eignen sich eine Vielzahl bekannter Verfahren. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird bevorzugt, dass zur Aufbringung der biologischen oder biochemischen oder synthetischen Erkennungselemente auf der Sensorplattform eines oder mehrere Verfahren verwendet werden aus der Gruppe von Verfahren, die von"Ink jet spotting", mechanischem Spotting mittels Stift, Feder oder Kapillare,"micro contact printing", fluidischer Kontaktierung der Messbereiche mit den biologischen oder biochemischen oder synthetischen Erkennungselementen durch deren Zufuhr in parallelen oder gekreuzten Mikrokanälen, unter Einwirkung von Druckunterschieden oder elektrischen oder elektromagnetischen Potentialen"sowie photochemischen und photolithographischen Immobilisierungsverfahren gebildet werden.

Als besagte biologische oder biochemische oder synthetische Erkennungselemente können Komponenten aus der Gruppe aufgebracht werden, die von Nukleinsäuren (beispielsweise DNA, RNA, Oligonukelotiden) oder Nukleinsäure-Analogen (z. B. PNA), mono-oder polyklonalen Antikörpern, Aptameren, synthetischen Peptidstrukturen, löslichen, membrangebundenen und aus einer Membran isolierten Proteinen wie beispielsweise Rezeptoren, deren Liganden, Antigenen für Antikörper,"Histidin-Tag-Komponenten"und deren Komplexbildungspartnem, durch chemische Synthese erzeugten Kavitäten zur Aufnahme molekularer Imprints, gebildet wird. Es ist auch vorgesehen, dass als biologische oder biochemische oder synthetische Erkennungselemente ganze Zellen, Zellbestandteile, Zellmembranen oder deren Fragmente aufgebracht werden.

Die immobilisierten Erkennungselemente sind im allgemeinen so ausgewählt, dass sie mit möglichst hoher Spezifiziät den nachzuweisenden Analyten erkennen und binden. Im allgemeinen ist jedoch zu erwarten, dass auch eine unspezifische Anlagerung von Analytmolekülen an die Oberfläche der Grundplatte stattfindet, insbesondere wenn zwischen den in den Messbereichen immobilisierten Erkennungselemente noch reaktive Freistellen vorhanden sind. Es wird daher bevorzugt, dass Bereiche zwischen den räumlich getrennten Messbereichen zur Minimierung unspezifischer Bindung von Analyten oder deren Nachweissubstanzen"passiviert werden", d. h. dass zwischen den räumlich getrennten Messbereichen gegenüber dem Analyten"chemisch neutrale"Verbindungen aufgebracht sind, vorzugsweise beispielsweise bestehend aus den Gruppen, die von Albuminen, insbesondere Rinderserumalbumin oder Humanserumalbumin, Casein, unspezifischen, polyklonalen oder monoklonalen, artfremden oder empirisch für den oder die nachzweisenden Analyten unspezifischen Antikörpern (insbesondere für Immunoassays), Detergentien-wie beispielsweise Tween 20-, nicht mit zu analysierenden Polynukleotiden hybridisierender, fragmentierter natürlicher oder synthetischer DNA, wie beispielsweise ein Extrakt von Herings-oder Lachssperma (insbesondere für Polynukleotid- Hybridisierungsassays), oder auch ungeladenen, aber hydrophilen Polymeren, wie beispielsweise Polyethylenglycole oder Dextrane, gebildet werden.

Das erfindungsgemässe optische System ist üblicherweise dadurch gekennzeichnet, dass das Lumineszenzlicht von den Messbereichen auf der Sensorplattform auf mindestens einen optoelektronischen Detektor geleitet wird.

Es wird bevorzugt, dass das Lumineszenzlicht von den Messbereichen auf einen ortsauflösenden Detektor abgebildet wird, welcher vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe, die von CCD-Kameras, CCD-Chips, Photodioden-Arrays, Avalanche-Dioden- Arrays, Multichannel-Plates und Vielkanal-Photomultipliern gebildet wird.

Für die Ausgestaltung des Detektionsstrahlenganges gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten. Eine Möglichkeit besteht darin, dass das Lumineszenzlicht von den Messbereichen über ein System aus ein oder mehr Linsen und/oder Spiegeln auf den mindestens einen optoelektronischen Detektor abgebildet wird. Weiterhin ist es möglich, dass sich im Emissionsstrahlengang zwischen der Sensorplattform und dem mindestens einen optoelektronischen Detektor zur Aufzeichnung der von den Messbereichen ausgestrahlten Lumineszenz ein oder mehr optische Elemente, wie beispielsweise diffraktive Elemente, Interferenzfilter oder Kantenfilter, zur Seletion der Emissionswellenlänge und Diskrimination von Licht anderer Wellenlänge befinden.

Es wird bevorzugt, dass der Emissionsstrahlengang am Ort des Einsatzes besagter optischer Elemente zur spektralen Selektion der Emissionswellenlänge eine Divergenz oder Konvergenz von weniger als 15° aufweist. Eine Realisierungsmöglichkeit besteht darin, dass sich die optischen Elemente, wie beispielsweise Interferenzfilter oder Kantenfilter, zur Selektion der Emissionswellenlänge und Diskrimination von Licht anderer Wellenlänge zwischen den zwei Hälften eines Tandem-Objektive befinden.

Für die Ausgestaltung der Sensorplattform, als Bestandteil des erfindungsgemässen optischen Systems, gibt es ebenfalls eine Vielzahl von Möglichkeiten. Die Sensorplattform kann einen optisch transparenten Träger umfassen, vorzugsweise aus Glas oder einem thermoplastischen Kunststoff, auf dem die biologischen oder biochemischen oder synthetischen Erkennungselemente in den Messbereichen immobilisiert sind.

Unter dem Begriff"optische Transparenz"wird dabei verstanden, dass das durch diese Eigenschaft gekennzeichnete Material zumindest bei einer oder mehreren zur Anregung einer oder mehrerer Lumineszenzen benutzten Anregungswellenlängen weitgehend transparent und damit absorptionsfrei sein sollte.

Es wird bevorzugt, dass die Sensorplattform einen planaren optischen Wellenleiter umfasst.

Besonders bevorzugt wird, dass die Sensorplattform einen optischen Schichtwellenleiter mit einer ersten optisch transparenten Schicht (a) auf einer zweiten optisch transparenten Schicht (b) umfasst, wobei die optisch transparente Schicht (b) einen niedrigeren Brechungsindex als die optisch transparente Schicht (a) aufweist.

Es wird bevorzugt, dass Einkopplung von Anregungslicht in die optisch transparente Schicht (a) über in der Schicht (a) modulierte diffraktive Gitter (c) erfolgt. Vorzugsweise handelt es sich bei den in der Schicht (a) modulierten diffraktiven Gittern (c) um Reliefgitter. Eine Sensorplattform als Bestandteil des erfindungsgemässen optischen Systems kann eine einzelne oder auch mehrere diskrete Gitterstrukturen (c) umfassen.

Verschiedene in der optisch transparenten Schicht (a) der Sensorplattform modulierte Gitterstrukturen (c) können eine einheitliche Gitterperiode oder auch unterschiedliche Gitterperioden aufweisen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Sensorplattform als Teil des erfindungsgemässen optischen Systems ist dadurch gekennzeichnet, dass Gitterstrukturen (c) in der wellenleitenden Schicht (a) der Sensorplattform in einem ein-oder zwei dimensionalen Array angeordnet sind, woran sich jeweils in Ausbreitungsrichtung des einzukoppelnden Anregungslichts unstrukturierte Bereiche der wellenleitenden Schicht (a) anschliessen, auf denen Arrays von 2 oder mehr Messbereichen angeordnet sind, welche gegebenenfalls zusätzlich fluidisch dichtend gegeneinander in diskreten Probenbehältnissen abgeschlossen werden können.

Um eine gezielte Ableitung des in die Schicht (a) einer Sensorplattform eingekoppelten und in ihr geführten Anregungslichts zu ermöglichen und auch ein Übersprechen von Lichtsignalen zwischen benachbarten Messbereichen oder Arrays von Messbereichen zu minimieren ist es von Vorteil, wenn auf der Sensorplattform zusätzlich zu Gitterstrukturen (c) zur Einkopplung von Anregungslicht zweite Gitterstrukturen (c') zur Auskopplung von Anregungslicht und gegebenenfalls in die wellenleitende Schicht (a) rückgekoppelten Lumineszenzlichts vorgesehen sind, um das in der wellenleitenden Schicht (a) geführte Licht, nach Durchlaufen der Messbereiche (in Ausbreitungsrichtung des geführten Anregungslichts im Anschluss an eine Einkoppelgitterstruktur (c)) wieder auszukoppeln.

Dabei können Gitterstrukturen (c) und (c') gleiche oder auch unterschiedliche Gitterperioden aufweisen.

Eine mögliche Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass Gitterstrukturen (c) und gegebenenfalls (c') diskret für einzelne Segmente (Anordnungen in ein-oder zweidimensionalen Arrays) von Messbereichen angeordnet sind.

Es wird bevorzugt, dass Gitterstrukturen (c) und gegebenenfalls (c') senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des einzukoppelnden Anregungslichts in durchgehenden Streifen (Spalten) über die ganze Sensorplattform ausgebildet sind.

Eine mögliche Ausführungsform, insbesondere für sequentielle Messungen, ist dadurch gekennzeichnet, dass Gitterstrukturen (c') in sequentieller Durchführung von Messungen auch als Einkoppelgitter (c) verwendet werden.

Für bestimmte Anwendungen, insbesondere um eine sehr hohe Dichte von Messbereichen ohne ein optisches Übersprechen davon ausgehender Lumineszenzen zu erreichen, wird bevorzugt, dass Gitterstrukturen (c) zur Einkopplung und (c') zur Auskopplung von Licht aus der wellenleitenden Schicht (a) der Sensorplattform gleiche Periode haben und durchgehend unter allen Messbereichen der Sensorplattform moduliert sind.

Bei einer gegebenen Schichtdicke der optisch transparenten Schicht (a) ist die Empfindlichkeit einer erfindungsgemässen Anordnung um so grosser, je höher der Unterschied des Brechungsindex der Schicht (a) zu den Brechungsindices der umgehenden Medien ist, d. h. je höher der Brechungsindex der Schicht (a) im Verhältnis zu den benachbarten Schichten ist. Es wird bevorzugt, dass der Brechungsindex der ersten optisch transparenten Schicht (a) grösser als 1.8 ist.

Eine weitere wichtige Anforderung an die Eigenschaften der Schicht (a) besteht darin, dass die Ausbreitungsveriuste darin geführten Lichts möglichst niedrig sind. Es wird bevorzugt, dass die erste optisch transparente Schicht (a) ein Material aus der Gruppe von TiO2, ZnO, Nb205, Ta205, HfO2, oder Zr02, besonders bevorzugt aus TiO2 oder Ta205 oder Nb205 umfasst. Es können auch Kombinationen mehrerer derartiger Materialien verwendet werden.

Bei gegebenem Material der Schicht (a) und gegebenem Brechungsindex ist die Empfindlichkeit bis zu einem unteren Grenzwert der Schichtdicke umso grösser, je geringer die Schichtdicke ist. Der untere Grenzwert wird bestimmt durch den Abbruch der Lichtleitung bei Unterschreiten eines von der Wellenlänge des zu führenden Lichts abhängigem Wert sowie einem zu beobachtenden Anstieg der Ausbreitungsverluste bei sehr dünnen Schichten mit weiterer Schichtdickenabnahme. Es ist von Vorteil, wenn das Produkt aus der Dicke der Schicht (a) der Sensorplattform und ihrem Brechungsindex ein Zehntel bis ein Ganzes, bevorzugt ein Drittel bis zwei Drittel, der Anregungswellenlänge eines in die Schicht (a) einzukoppelnden Anregungslichts beträgt.

Eine spezielle Ausführungsform der Sensorplattform als Teil des erfindungsgemässen optischen Systems ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der optisch transparenten Schicht (a) der Sensorplattform und den immobilisierten biologischen oder biochemischen oder synthetischen Erkennungselementen eine dünne Metallschicht, vorzugsweise aus Gold oder Silber, gegebenenfalls auf einer zusätzlichen dielektrischen Schicht mit niedrigerem Brechungsindex als der Schicht (a), beispielsweise aus Silica oder Magnesiumfluorid, aufgebracht ist, wobei die Dicke der Metallschicht und der eventuellen weiteren Zwischenschicht so ausgewählt ist, dass ein Oberflächenplasmon bei der Anregungswellenlänge und/oder der Lumineszenzwellenlänge angeregt werden kann.

Es wird bevorzugt, dass auf einer Sensorplattform als Teil des erfindungsgemässen optischen Systems optisch oder mechanisch erkennbare Markierungen zur Erleichterung der Justierung in einem optischen System und/oder zur Verbindung mit Probenbehältnissen als Teil eines analytischen Systems und/oder als Hilfsmittel für eine nachfolgende Bildauswertung aufgebracht sind.

Für die routinemässige Handhabung einer Vielzahl von Sensorplattformen in möglicherweise unterschiedlichen Ausführungsformen, ebenso wie für die Gewährleistung einer gleichbleibenden hohen Produktqualität ist die Rückverfolgbarkeit der Herstellungs- und Gebrauchsgeschichte von grosser Bedeutung. Daher wird bevorzugt, dass die Sensorplattform, als Teil des erfindungsgemässen optischen Systems, eine Kennzeichnung, beispielsweise in Form eines Barcodes, trägt, der von einem in das optische System integrierten Barcode-Reader abgelesen werden kann.

Eine Vielzahl weiterer Ausführungsformen von Sensorplattformen, welche sich als Bestandteil eines erfindungsgemässen optischen Systems eignen, sind ausführlich beispielsweise in den Patenten US 5,822,472, US 5,959,292 und US 6,078,705 sowie in den Patentanmeldungen WO 96/35940, WO 97/37211, WO 98/08077, WO 99/58963, PCT/EP 00/04869 und PCT/EP 00/07529 beschrieben. Die darin beschriebenen Ausführungsformen von Sensorplattformen und Verfahren zum Lumineszenznachweis eines oder mehrerer Analyten, unter Verwendung eines erfindungsgemässen optischen Systems, sind ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Grundsätzlich kann ein erfindungsgemässes optisches System sowohl mit monochromatischen als auch mit polychromatischen Lichtquellen betrieben werden. Es wird jedoch bevorzugt, dass das Anregungslicht der zwei oder mehr Lichtquellen jeweils im wesentlichen monochromatisch ist.

Eine spezielle Ausführungsform des erfindungsgemässen optischen Systems ist dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungslicht verschiedener Lichtquellen gleichzeitig aus verschiedenen Richtungen auf die Sensorplattform eingestrahlt wird, wobei der Versatz zwischen den Strahlzentren auf der Sensorplattform weniger als 0.2 mm beträgt.

Der Detektionsstrahlengang des erfindungsgemässen optischen Systems kann so gestaltet sein, dass zwischen der Sensorplattform und dem einen oder mehreren Detektoren optische Komponenten aus der Gruppe verwendet werden, die von Linsen oder Linsensystemen zur Formgestaltung der übertragenen Lichtbündel, planaren oder gekrümmten Spiegeln zur Umlenkung und gegebenenfalls zusätzlich zur Formgestaltung von Lichtbündeln, Prismen zur Umlenkung und gegebenenfalls zur spektralen Aufteilung von Lichtbündeln, dichroischen Spiegeln zur spektral selektiven Umlenkung von Teilen von Lichtbündeln, Neutralfiltern zur Regelung der übertragenen Lichtintensität, optischen Filtern oder Monochromatoren zur spektral selektiven Übertragung von Teilen von Lichtbündeln oder polarisationsselektiven Elementen zur Auswahl diskreter Polarisationsrichtungen des Anregungs-oder Lumineszenzlichts gebildet werden.

Die Lichtanregung kann kontinuierlich erfolgen. Es wird jedoch bevorzugt, dass die Einstrahlung des Anregungslichts in Pulsen mit einer Dauer zwischen 1 fsec und 10 Minuten erfolgt.

Eine Weiterentwicklung des erfindungsgemässen optischen Systems ist dadurch gekennzeichnet, dass das Emissionslicht aus den Messbereichen zeitlich aufgelöst gemessen wird.

Es wird bevorzugt, dass zur Referenzierung Lichtsignale aus der Gruppe gemessen werden, die von Anregungslicht am Ort der Lichtquellen oder nach ihrer Aufweitung oder nach ihrer Unterteilung in Teilstrahlen, Streulicht bei der Anregungswellenlänge aus dem Bereich der einen oder mehreren räumlich getrennten Messbereiche, und über gegebenenfalls vorhandene Gitterstrukturen (c) oder (c') neben den Messbereichen ausgekoppeltem Licht der Anregungswellenlänge gebildet werden. Dabei können die Messbereiche zur Bestimmung des Emissionslichts und des Referenzsignals ganz oder teilweise überlappen, wobei sie vorzugsweise identisch sind.

Da der Anregungsstrahlengang des erfindungsgemässen optischen Systems im Bereich bis zum Auftreffen des Anregungslichts auf die vorangehend genannte optische Komponente mit mehreren diskreten Facetten zur Strahlumlenkung im allgemeinen mit der Montage der optischen Komponenten festgelegt wird und danach, abgesehen von beispielsweise thermisch verursachten geringfügigen Veränderungen im wesentlichen unveränderlich ist, ist es auch möglich, zu Zwecken der Referenzierung die Verteilung des Anregungslichtes im Strahlengang vor der besagten Komponente zur Strahlumlenkung einmalig zu vermessen und als eine Gerätefunktion abzuspeichern, welche wie ein Referenzsignal in einer Datenkorrektur berücksichtigt werden kann. Im Bedarfsfall kann die Vermessung dieser Anregungslichtverteilung in geeigneten Zeitabständen wiederholt und als eine neue gerätefunktion abgespeichert werden.

Bei genauer Kenntnis des Abstrahlprofils der Lichtquellen und der optischen Eigenschaften der im Strahlengang verwendeten Komponenten ist es sogar möglich, die Verteilung des Anregungslichts mathematisch zu berechnen und als eine Gerätefunktion abzuspeichern, welche wie ein Referenzsignal in einer Datenkorrektur berücksichtigt werden kann.

Wie vorangehend beschrieben, weisen Sensorplattformen basierend auf Dünnschichtwellenleitern und Einkopplung des Anregungslichts mithilfe eines in der wellenleitenden Schicht modulierten diffraktiven Gitters einen Resonanzwinkel mit einer nur sehr kleinen Halbwertsbreite für die Einkopplung auf. Insbesondere für Ausführungsformen des erfindungsgemässen optischen Systems mit derartigen Sensorplattformen ist es vorteilhaft, wenn die Optimierung der Justierung für optimale Einkopplung von Anregungslicht über ein Einkoppelgitter (c) zu in Ausbreitungsrichtung des eingekoppelten Lichts befindlichen Messbereichen durch Maximierung des von einem Detektor erfassten und über ein Auskoppelgitter (c') ausgekoppelten Anregungslichts erfolgt, wobei diese Optimierung bevorzugt rechnergesteuert erfolgt.

Eine besondere Ausführungsform des erfindungsgemässen optischen Systems ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Optimierung der Justierung des Koppelwinkels eine Rotation der optischen Komponente mit mehreren diskreten Facetten zur Strahlumlenkung um eine innerhalb oder ausserhalb dieser optischen Komponente gelegene Achse erfolgt. Dabei wird bevorzugt, dass die optische Komponente mit mehreren diskreten Facetten zur Strahlumlenkung an ein Rotationselement mit Drehachse innerhalb oder ausserhalb dieser optischen Komponente derart montiert ist, dass bei einer Rotation der Komponente um besagte Drehachse von weniger als 5° der Strahlversatz auf der Sensorplattform weniger als 0.3 mm beträgt.

Eine Vielzahl von möglichen Ausführungsformen des erfindungsgemässen optischen Systems sind dadurch gekennzeichnet, dass zur Optimierung der Koppelposition auf der Sensorplattform eine Translation der Sensorplattform parallel oder senkrecht zu den Gitterlinien erfolgt.

Es wird bevorzugt, dass die Optimierung der Justierung mittels Maximierung von einem oder mehreren Referenzsignalen von einem oder mehreren Messbereichen auf der Sensorplattform erfolgt, wobei diese Optimierung vorzugsweise rechnergesteuert erfolgt.

Eine mögliche Ausführungsform ist dabei dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei besagtem Referenzsignal um Streulicht bei der Anregungswellenlänge handelt. Es ist aber auch möglich, dass es sich bei besagtem Referenzsignal um Lumineszenzlicht aus für Zwecke der Referenzierung und/oder Justierung vorgesehenen Messbereichen handelt.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemässen optischen Systems erfolgen Einstrahlung und Erfassung des Emissionslichts von einer Vielzahl von Messbereichen oder einem oder mehreren Arrays von Messbereichen oder sogar allen Messbereichen simultan.

Eine andere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Einstrahlung des Anregungslichts auf und Detektion des Emissionslichts von einem oder mehreren Messbereichen sequentiell für einzelne oder mehrere Messbereiche erfolgt.

Es ist auch möglich, dass mehrfach sequentiell Einstrahlung des Anregungslichts und Detektion des Emissionslichts von einem oder mehreren Messbereichen erfolgen.

Bei sequentieller Detektion der Lumineszenz von verschiedenen Messbereichen ist ein ortsauflösender Detektor nicht zwingend erforderlich, sondern es kann in diesem Falle ein einfacher Detektor wie beispielsweise ein herkömmlicher Photomultiplier oder eine Photodiode oder eine Avalanche-Photodiode verwendet werden.

Eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemässen optischen Systems mit sequentieller Anregung und Detektion ist dadurch gekennzeichnet, dass die erfindungsgemässe Anordnung zwischen Schritten der sequentiellen Anregung und Detektion bewegt wird.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein analytisches System zum Lumineszenznachweis eines oder mehrerer Analyten in mindestens einer Probe auf einem oder mehreren Messbereichen auf einer Sensorplattform mit einem erfindungsgemässen optischen System nach einer der vorgenannten Ausführungsformen sowie Zuführungsmitteln, um die eine oder mehrere Proben mit den Messbereichen auf der Sensorplattform in Kontakt zu bringen.

Dabei wird bevorzugt, dass das erfindungsgemässe analytische System zusätzlich ein oder mehrere Probenbehältnisse umfasst, welche mindestens im Bereich der einen oder mehreren Messbereiche oder der zu Segmenten zusammengefassten Messbereiche zur Sensorplattform hin geöffnet sind. Dabei können die Probenbehältnisse jeweils ein Volumen von 0.1 nl-100 jl haben.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen analytischen Systems ist dadurch gekennzeichnet, dass die Probenbehältnisse auf der von der optisch transparenten Schicht (a) abgewandten Seite, mit Ausnahme von Ein-und/oder Auslassöffnungen für die Zufuhr oder den Auslass der Proben und gegebenenfalls zusätzlicher Reagentien, geschlossen sind und die Zufuhr oder der Auslass von Proben und gegebenenfalls zusätzlicher Reagentien in einem geschlossenen Durchflusssystem erfolgen, wobei im Falle der Flüssigkeitszufuhr zu mehreren Messbereichen oder Segmenten mit gemeinsamen Einlass-und Auslassöffnungen diese bevorzugt spalten-oder zeilenweise addressiert werden.

Eine andere mögliche Ausführungsform besteht darin, dass die Zufuhr der Proben und gegebenenfalls zusätzlichen Reagentien in parallelen oder gekreuzten Mikrokanälen, unter Einwirkung von Druckunterschieden oder elektrischen oder elektromagnetischen Potentialen erfolgt.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen analytischen Systems ist dadurch gekennzeichnet, dass die Probenbehältnisse auf der von der optisch transparenten Schicht (a) abgewandten Seite Öffnungen zur lokal addressierten Zugabe oder Entfernung der Proben oder anderer Reagentien besitzen.

Es wird bevorzugt, dass die Probenbehältnisse in einem Array angeordnet sind, umfassend die Sensorplattform als Grundplatte und einen damit derart zusammengebrachten Körper, dass zwischen der Grundplatte und besagtem Körper ein Array von räumlichen Aussparungen zur Erzeugung eines Arrays von gegeneinander fluidisch abgedichteten Flusszellen mit jeweils mindestens einem Zulauf und mindestens einem Ablauf erzeugt wird und dass mindestens ein Ablauf jeder Flusszelle in ein mit dieser Flusszelle fluidisch verbundenes Reservoir führt, welches aus der Flusszelle austretende Flüssigkeit aufnimmt.

Vorteilhaft ist dabei, wenn das Reservoir zur Aufnahme aus der Flusszelle austretender Flüssigkeit als eine Vertiefung in der Aussenwand des mit der Grundplatte zusammengebrachten Körpers ausgebildet ist.

Das erfindungsgemässe analytische System kann prinzipiell eine nahezu beliebige Anzahl von Probenbehältnissen umfassen, typischerweise 2-2000, vorzugsweise 2-400, besonders bevorzugt 2-100 Probenbehältnisse.

Es wird bevorzugt, dass das Raster (Aufeinanderfolge in Zeilen und/oder Spalten) der Zuläufe der Probenbehältnisse dem Raster der Wells einer Standardmikrotiterplatte entspricht.

Ausserdem wird bevorzugt, dass die Anordnung von Probenbehältnissen mit der Sensorplattform als Grundplatte und dem damit zusammengebrachten Körper die Grundabmessungen (Footprint) einer Standardmikrotiterplatte hat.

Eine andere Ausführungsform des erfindungsgemässen analytischen Systems, mit beispielsweise 2 bis 8 Probenbehältnissen in einer Spalte oder beispielsweise 2 bis 12 Probenbehältnissen in einer Zeile, ist dadurch gekennzeichnet, dass diese ihrereseits mit einem Träger ("Metaträger") mit den Abmessungen von Standardmikrotiterplatten derart zusammengefügt werden, dass das Raster (Aufeinanderfolge in Zeilen oder Spalten) der Zuläufe der Flusszellen dem Raster der Wells einer Standardmikrotiterplatte entspricht.

Eine Weiterentwicklung des erfindungsgemässen analytischen Systems ist dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der Sensorplattform als Grundplatte einer Anordnung von Probenbehältnissen ein entfernbarer Schutzboden angeordnet ist und gegebenenfalls die Oberseite der Anordnung von Probenbehältnissen durch einen zusätzlichen Abschluss, beispielsweise eine Folie, Membran oder eine Deckplatte, abgeschlossen wird. Dabei wird bevorzugt, dass der Schutzboden vor einer Messung automatisch oder halbautomatisch entfernt wird.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen analytischen Systems, umfassend eine der vorgenannten Ausführungsformen eines optischen Systems mit einem Dünnschichtwellenleiter als Sensorplattform und einem oder mehreren in der wellenleitenden Schicht modulierten Gitter zur Einkopplung von Anregungslicht, ist dadurch gekennzeichnet, dass sich innerhalb jedes Probenbehältnisses mindestens eine in der wellenleitenden Schicht (a) einer Sensorplattform als Grundplatte modulierte Gitterstruktur (c) zur Einkopplung von Anregungslicht zu den Messbereichen befindet.

Eine mögliche Ausführungsform besteht dabei darin, dass sich Gitterstrukturen (c) innerhalb des Bereichs der Probenbehältnisse und zusätzliche Gitterstrukturen (c') zur Auskopplung sich jeweils ausserhalb der Probenbehältnisse befinden, in denen jeweils die Einkopplung des Anregungslichts erfolgt.

Eine andere mögliche Ausführungsform des erfindungsgemässen analytischen Systems ist dadurch gekennzeichnet, dass sich Gitterstrukturen (c) und gebenenfalls zusätzlich vorhandene Gitterstrukturen (c') über den Bereich mehrerer oder alle Probenbehältnisse erstrecken.

Es wird bevorzugt, dass sich in einem Probenbehältnis 5-5000, bevorzugt 10-400 Messbereiche befinden.

Eine Weiterentwicklung des erfindungsgemässen analytischen Systems ist dadurch gekennzeichnet, dass sie zusätzlich mechanische Vorkehrungen und einen Transportmechanismus umfasst, womit ein automatisierter Transport einer Anordnung von Probenbehältnissen, bestehend aus einer Sensorplattform als Grundplatte und einem damit zusammengebrachten Körper, vom Ort der Eingabe zur Position der Lumineszenzanregung und-detektion und gegebenenfalls zurück zur Ausgangsposition erfolgt.

Eine andere Weiterentwicklung besteht darin, dass sie zusätzlich eine Aufnahmevorrichtung ("Stacker") zur Aufnahme einer Vielzahl von Anordnungen von Probenbehältnissen umfasst.

Dabei wird bevorzugt, dass die Beladung des"Stackers"vom Ort der Eingabe der Anordnung von Probenbehältnissen und von dort deren Transport zur Position der Lumineszenzanregung und-detektion und gegebenenfalls zurück zur Ausgangsposition automatisch erfolgen.

Eine andere Ausführungsform des erfindungsgemässen analytischen Systems ist dadurch gekennzeichnet, dass es eine oder mehrere thermostatisierbare Zonen umfasst. Bevorzugt wird dabei, dass die Anordnung von Probenbehältnissen und/oder der Anregungslichtquellen und/oder des einen oder der mehreren optoelektronischen Detektoren und/oder des"Stackers"separat thermostatisiert werden können.

Beispielsweise wird damit die Möglichkeit eröffnet, biologische Proben bis zum Zeitpunkt einer Messung zu kühlen und damit einen möglichen Abbau der Inhaltsstoffe zu verhindern oder zu vermindern. Auch die Signalstabilität optoelektronischer Geräte wird durch eine Thermostatisierung grundsätzlich positiv beeinflusst.

Eine andere Variante des erfindungsgemässen analytischen Systems ist dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung von Probenbehältnissen und/oder der Anregungslichtquellen und/oder des einen oder der mehreren optoelektronischen Detektoren und/oder des"Stackers"bei einem höheren Luftdruck als dem Umgebungsdruck betrieben wird. Damit kann beispielsweise vorteilhaft das Eindringen von Staub in das System vermindert werden.

Für die verschiedenen Ausführungsformen des erfindungsgemässen analytischen Systems wird bevorzugt, dass es zusätzliche eine oder mehrere elektronische Kontrollkomponenten zur Überwachung des Zustandes einer oder mehrerer optischer oder elektrischer oder mechanischer Komponenten umfasst, welche gegebenenfalls ein optisches oder akustisches oder elektronisches Alarmsignal erzeugen können.

Vorteilhaft ist ausserdem, wenn ein erfindungsgemässes analytisches System Vorkehrungen umfasst, mit denen eine Eingabe ungeeigneter Sensorplatt-formen, beispielsweise mit falschen mechanischen Abmessungen, verhindert wird.

Für die Durchführung einer Vielzahl von Untersuchungen und Messungen und zur Verbesserung von deren Reproduzierbarkeit ist grundsätzlich ein hoher Automatisierungsgrad wünschenswert. Es wird bevorzugt, dass das erfindungsgemässe analytische System zusätzlich einen oder mehrere elektronische Prozessoren, verbunden mit Speichermedien und elektronischen Zuleitungsmedien, eine Eingabetastatur, einen Bildschirm und einen Programmcode zur automatisierten Steuerung umfasst.

Vor allem für routinemässige Arbeitsvorgänge wird weiterhin bevorzugt, dass der Betrieb besagten analytischen Systems und/oder die Messvorgänge automatisch mittels vorgegebener Initialisierungsdateien erfolgt. Vorteilhaft ist, wenn das erfindugsgemässe analytische System nach einer angezeigten Fehlfunktion automatisch in einen definierten Anfangszustand versetzt wird und gegebenenfalls erzeugte Messdaten in einer Datei gesichert werden.

Eine Weiterentwicklung des erfindungsgemässen analytischen Systems ist dadurch gekennzeichnet, dass in automatisierter Form für jede Messung eine Datei erzeugt wird, in der die Kennzeichnung der verwendeten Sensorplattform und die wesentlichen Parameter besagter Messung sowie die Messdaten abgespeichert werden.

Eine andere vorteilhafte Weiterentwicklung bessteht darin, dass lokale Variationen der Anregungslichtintensität auf der Sensorplattform und/oder der Detektionsempfindlichkeit des optischen Systems für Lichtsignale von unterschiedlichen Orten auf der Sensorplattform nach Aufnahme der Originaldaten korrigiert werden mittels Vorkehrungen, welche beispielsweise die Aufnahme von Korrekturbildem bei der Anregungswellenlänge und/ oder einer oder mehrerer Lumineszenzwellenlängen, die Berechnung von theoretischen Verteilungen der verfügbaren Anregungslichtintensität, theoretische Berechnungen der ortsaufgelösten Effizienz des optischen Abbildungs-und Detektionssystems etc. umfassen.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Lumineszenznachweis eines oder mehrerer Analyten, unter Verwendung eines erfindungsgemässen analytischen Systems, welches ein erfindungsgemässes optisches System umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere flüssige Proben, welche auf den einen oder die mehreren Analyten untersucht werden sollen, mit einem oder mehreren Messbereichen auf der Sensorplattform in Kontakt gebracht werden, Anregungslicht in die Messbereiche geleitet wird, hierbei lumineszenzfähige Stoffe in den Proben oder auf den Messbereichen zur Lumineszenz angeregt und die abgestrahlte Lumineszenz gemessen wird.

Bestandteil des erfindungsgemässen Verfahrens ist, dass zur Erzeugung der Lumineszenz mindestens ein Lumineszenzfarbstoff oder lumineszentes Nanopartikel als Lumineszenzlabel verwendet wird, das bei einer Wellenlänge zwischen 300 nm und 1100 nm angeregt werden kann und emittiert.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass es Vorkehrungen umfasst, mit denen der dynamische Bereich der Signalaufnahme um mindestens einen Faktor 3 erweitert wird.

Die besagten Vorkehrungen zur Erweiterung des dynamischen Bereichs können beispielsweise die Verwendung von unterschiedlich langen Belichtungszeiten, d. h. der Dauer der Einstrahlung des Anregungslichts und der Integrationszeit des Detektors, umfassen, welche sich mindestens um einen Faktor 3 unterscheiden.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass die Vorkehrungen zur Erweiterung des dynamischen Bereichs eine Variation der Intensität des auf der Sensorplattform verfügbaren Anregungslichts um mindestens einen Faktor 3 umfassen, beispielsweise durch Einsatz von diskreten Neutralfiltern im Anregungsstrahlengang, gegebenenfalls ausgebildet als Verlaufsfilter mit einem kontinuierlichen Gradienten der Transmission oder Variation der Intensität der Lichtquellen oder Änderung der Justierung der Sensorplattform bezüglich des Anregungsstrahlenganges.

Das erfindungsgemässe Verfahren ist im allgemeinen dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Lumineszenzlabel an den Analyten oder in einem kompetitiven Assay an einen Analogen des Analyten oder in einem mehrstufigen Assay an einen der Bindungspartner der immobilisierten biologischen oder biochemischen oder synthetischen Erkennungselementen oder an die biologischen oder biochemischen oder synthetischen Erkennungselementen gebunden ist.

Eine Weiterentwicklung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites oder noch weitere Lumineszenzlabel mit gleicher oder unterschiedlicher Anregungswellenlänge wie das erste Lumineszenzlabel und gleicher oder unterschiedlicher Emissionswellenlänge verwendet werden.

Eine weitere Möglichkeit zur Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass zum Nachweis des Analyten Ladungs-oder optischer Energietransfer von einem als Donor dienenden ersten Lumineszenzfarbstoff zu einem als Akzeptor dienenden zweiten Lumineszenzfarbstoff verwendet wird.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die einen oder mehreren Lumineszenzen und/oder Bestimmungen von Lichtsignalen bei der Anregungswellenlänge polarisationsselektiv vorgenommen werden. Es wird bevorzugt, dass die einen oder mehreren Lumineszenzen bei einer anderen Polarisation als der des Anregungslichts gemessen werden.

Das erfindungsgemässe Verfahren ist geeignet zur gleichzeitigen oder sequentiellen, quantitativen oder qualitativen Bestimmung eines oder mehrerer Analyten aus der Gruppe von Antikörpern oder Antigenen, Rezeptoren oder Liganden, Chelatoren oder"Histidin-tag- Komponenten", Oligonukleotiden, DNA-oder RNA-Strängen, DNA-oder RNA-Analoga, Enzymen, Enzymcofaktoren oder Inhibitoren, Lektinen und Kohlehydraten.

Mögliche Ausführungsformen des Verfahrens sind auch dadurch gekennzeichnet, dass die zu untersuchenden Proben natürlich vorkommende Körperflüssigkeiten wie Blut, Serum, Plasma, Lymphe oder Urin oder Eigelb oder optisch trübe Flüssigkeiten oder Gewebeflüssigkeiten oder Oberflächenwasser oder Boden-oder Pflanzenextrakte oder Bio- oder Syntheseprozessbrühen oder aus biologischen Gewebeteilen oder aus Zellkulturen oder -extrakten entnommen sind.

Weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung eines erfindungsgemässen optischen Systems und/oder eines erfindungsgemässen analytischen Systems und/oder eines erfindungsgemässen Verfahrens zu quantitativen oder qualitativen Analysen zur Bestimmung chemischer, biochemischer oder biologischer Analyten in Screeningverfahren in der Pharmaforschung, der Kombinatorischen Chemie, der Klinischen und Präklinischen Entwicklung, zu Echtzeitbindungsstudien und zur Bestimmung kinetischer Parameter im Affinitätsscreening und in der Forschung, zu qualitativen und quantitativen Analytbestimmungen, insbesondere für die DNA-und RNA-Analytik, für die Erstellung von Toxizitätsstudien sowie für die Bestimmung von Gen-oder Protein-Expressionsprofilen sowie zum Nachweis von Antikörpern, Antigenen, Pathogenen oder Bakterien in der pharmazeutischen Protduktentwicklung und-forschung, der Human-und Veterinärdiagnostik, der Agrochemischen Produktentwicklung und-forschung, der symptomatischen und präsymptomatischen Pflanzendiagnostik, zur Patientenstratifikation in der pharmazeutischen Produktentwicklung und für die therapeutische Medikamentenauswahl, zum Nachweis von Pathogenen, Schadstoffen und Erregern, insbesondere von Salmonellen, Prionen, Viren und Bakterien, in der Lebensmittel-und Umweltanalytik.

Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele erläutern die Erfindung beispielhaft.

Beispiel 1 : 1A : Sensorplattform Es wird eine Sensorplattform mit den äusseren Abmessungen 75 mm Breite x 113.5 mm Länge x 0.7 mm Dicke verwendet, auf deren Fläche durch Kombination mit einer Platte aus Polycarbonat mit in Richtung der Sensorplattform offenen Ausnehmungen mit den Innendimensionen 8 mm Breite x 8 mm Länge x 0.15 mm Höhe 96 Mikroflusszellen im Raster einer klassischen Mikrotiterplatte (Raster 9 mm) erzeugt werden können. Die Polycarbonat-Platte kann mit der Sensorplattform derart verklebt werden, dass danach die Ausnehmungen gegeneinander dicht verschliessend abgedichtet sind.

Das Substratmaterial (optisch transparente Schicht (b) besteht aus AF 45 Glas (Brechungsindex n = 1.52 bei 633 nm). Im Substrat ist ein Raster von Paaren aus Ein-und Auskoppelgittern mit parallel zur Breite der Sensorplattform verlaufenden Gitterlinien (318 nm Periode) von 12 +/-3 nm Gittertiefe ausgeprägt, wobei die Gitterlinien über die gesamte Breite der Sensorplattform ausgeprägt sind. Der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Gitterpaaren beträgt 9 mm, die Länge der einzelnen Gitterstrukturen (parallel zur Länge der Sensorplattform) 0.5 mm. Der Abstand zwischen dem Ein-und Auskoppelgitter eines Gitterpaares beträgt 9 mm, so dass die Ein-und Auskopplung des Anregungslichts jeweils innerhalb des Bereichs der Probenbehältnisse, nach Kombination der Sensorplattform mit der oben beschriebenen Polycarbonatplatte, erfolgen kann. Die wellenleitende, optisch transparente Schicht (a) aus Ta205 auf der optisch transparenten Schicht (b) hat einen Brechungsindex von 2.15 bei 633 nm (Schichtdicke 150 nm).

Die von der Sensorplattform und der damit kombinierten Polycarbonatplatte gebildeten Probenbehältnisse weisen auf den der Sensorplattform gegenüberliegenden Begrenzungsflächen konisch ausgebohrte Öffnungen auf, so dass eine Befüllung oder Entleerung der Probenbehältnisse durch Einpressen von standardisierten, kommerziell erhältlichen Pipettenspitzen aus Polypropylen erfolgen kann.

Zur Vorbereitung auf die Immobilisierung der biochemischen oder biologischen oder synthetischen Erkennungselemente wird die Sensorplattformen mit Chloroform im Ultraschallgerät gereinigt und mittels einer Silanisierungsreaktion mit Glycidyloxypropyltrimethoxysilan chemisch aktiviert und so zur Immobilisierung der Probe cDNA's als biologische Erkennungselemente vorbereitet. Die einzelnen cDNAs in einer Konzentration von 50 ng/lll werden mittels einer kommerziellen piezogesteuerten Mikropipette (GeSiM GmbH, Großerkmannsdorf, DE) mit jeweils 10 Tropfen zu 0.1 nl auf einen Punkt aufgebracht, was zu Spotdurchmessern als diskreten Messbereichen von ca. 150 um führt, m einer 10 x 10 Spot-Anordnung (100-Feature-Array) werden jeweils 4 Messbereiche mit gleicher cDNA erzeugt, so dass am Ende des Immobilisierungsvorganges ein Array jeweils Messbereiche mit 25 verschiedenen Erkennungselementen in vierfacher Replikation enthält. Die Spots weisen einen Abstand der Spotmittelpunkte von 400 um auf.

Ein einzelnes Array belegt somit eine Fläche von etwa 4 x 4 mm auf der Sensorplattform, wobei dieses in geringem Abstand (ca. 2 mm) zu einer Gitterstruktur (c) angeordnet ist, welche im später auszuführenden analytischen Nachweisverfahren als Einkoppelgitter für das Anregungslicht dient. Zur späteren Untersuchung einer Vielzahl von Proben auf gleichartigen Arrays werden eine Vielzahl gleichartiger Arrays wie vorangehend beschrieben in einem Raster von 9 mm auf der Sensorplattform erzeugt.

Auf die so vorbereitete Sensorplattform wird die beschriebene Polycarbonatplatte so aufgebracht, dass die einzelnen Probenbehältnisse gegeneinander fluidisch dicht verschliessend abgeschlossen sind und die Arrays mit den zugehörigen Einkoppelgittern (c) sich jeweils innerhalb der Probenbehältnisse befinden.

1B : Strahlengang In Abbildung 1 ist schematisch, d. h. ohne Masstabs-oder Winkeltreuheit, der Strahlengang von Anregungslicht unterschiedlicher Wellenlänge durch eine optische Komponente zur Strahlumlenkung auf das Einkoppelgitter einer Sensorplattform, als Bestandteile eines erfindungsgemässen optischen Systems, dargestellt.

Mit (1) ist ein Multifacettenprisma, als Beispiel für eine optische Komponente mit mehreren diskreten Facetten zur Strahlumlenkung bezeichnet. (2) bezeichnet den Strahlengang kurzwelligeren, z. B. blauen, Anregungslichts durch die untere Facette auf das Einkoppelgitter (4) (gleichbedeutend mit einer Gitterstruktur (c) in der vorangehenden Beschreibung der Erfindung) der Sensorplattform, (3) den Strahlengang eines längerwelligen, beispielsweise roten Anregungslichts.

Für die Schicht-und Gitterparameter der in Beispiel 1A beschriebenen Sensorplattform beträgt der Einkoppelwinkel für Anregungslicht von 492 nm etwa + 18. 2° und von 670 nm etwa-17.4° (mit Luft als Medium über dem Koppelgitter). Der Divergenzwinkel zwischen Lichtstrahlen beider Anregunswellenlängen bei Erfüllung der Einkoppelbedingung beträgt also 35.6°. Das Multifacettenprisma, als Bestandteil des erfindungsgemässen optischen Systems, ist so gestaltet, dass der Winkel zwischen dem eingestrahlten kurzwelligen Anregungslicht, vor Eintritt in das Prisma, und der Parallelebene (5a) zur Ebene der Sensorplattenoberfläche 27.3° beträgt, während der Winkel zwischen dem eingestrahlten längerwelligen Anregungslicht, vor Eintritt in das Prisma, und der Parallelebene (5b) zur Ebene der Sensorplattenoberfläche 1.9° beträgt. Die ursprünglich, d. h. vor Eintritt in das Multifacettenprisma vorhandene Winkeldivergenz beträgt also nur 25.9°. Durch den Einsatz des Multifacettenprismas als Teil des erfindungsgemässen optischen Systems vergrössert sich also die Winkeldivergenz in diesem Beispiel um einen Faktor 1.37, wobei ausserdem die Anregungsstrahlen beider Wellenlängen am gleichen Ort auf dem Einkoppelgitter (4) der Sensorplattform eintreffen, so dass eine Einkopplung ohne Veränderung der Postionierung der Sensorplattform ermöglicht wird.

Das Multifacettenprisma ist auf einem in Abbildung 1 nicht dargestellten Goniometer derart montiert, dass bei einer Rotation von weniger als 5° der Versatz zwischen den Strahlzentren sich um weniger als 0.3 mm ändert.

In Abbildung 1 sind ausserdem schematisch der Öffnungswinkel (6) angedeutet, innerhalb dessen eintretendes Licht Lumineszenzlicht von der Sensorplattform auf den Detektor (9) mithilfe eines Tandemobjektivs, bestehend aus einem Eingangsobjektiv (7a) und einem Ausgangsobjektiv (7b), abgebildet werden kann. Zwischen den beiden Hälften des Tandemobjektivs befinden sich, in dem im Idealfall parallelen Teil des Emissionsstrahlenganges, ein oder mehrere Interferenzfilter (8) zur spektralen Selektion der Detektionswellenlänge. Mit dieser Anordnung wird ein Teil des isotrop abgestrahlten, von der Sensorplattform ausgehenden Lichts erfasst und auf den Detektor (9) geleitet.

1C : Analytisches System Abbildung 2 zeigt Bestandteile einer beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemässen analytischen Systems mit wesentlichen Komponenten eines erfindungsgemässem optischen Systems. Die Raumrichtungen x/y/z sind in der Abbildung angegeben.

Im obersten dargestellten Bereich von Abbildung 2 bezeichnet (10) eine erfindungsgemässe Einheit aus (Sensorplattform und Probenbehältnis) in der Ausbildung der äusseren Dimensionen einer Mikrotiterplatte, welche mit den Schrittmotoren (l la, 1 lb) in x-und y- Richtung bezüglich des Anregungslichts bewegt werden kann. Mit einer über dem System befindlichen Haube gegen die Umgebung abgeschlossen, kann dieser Bereich separat thermostatisiert werden.

Darunter schliesst sich ein weiterer Bereich an, mit einer Reihe von Spiegeln mit den zugehörigen Halterungen und Justiervorrichtungen, 12a, 12b, 12c, zur Umlenkung des Anregungslichts, bevorzugt von Laserlichtquellen, auf eine der Eingangsfacetten eines Multifacettenprisma 1. Die Spiegel 12 a-c werden bei Montage des Systems auf die erforderliche Einstrahlrichtung auf die vorgesehene Eingangsfacette des Multifacettenprismas eingestellt, um nach dem Strahldurchgang durch das Multifacettenprisma die Resonanzbedingung für die jeweilige Anregungswellenlänge zur Einkopplung des Anregungslichts in die wellenleitende Schicht einer Sensorplattform über eine Gitterstruktur (4) zu ermöglichen. Diese Spiegel können im Wartungsfall in x-und y- Richtung justiert werden. Im Strahlengang zwischen den Spiegeln 12 a-c und dem Multifacettenprisma sind jeweils Blenden angebracht (In Abbildung 2 nicht dargestellt), mit denen der Anregungslichtstrahl auf die gewünschten geometrischen Abmessungen beschränkt werden kann. Ausserdem befindet sich in diesem Bereich ein Filterrad 13 zur Regulierung der Anregungslichtintensität mithilfe von diskreten Neutralfiltern unterschiedlicher Transmission. Im Falle breitbandiger Anregungslichtquellen oder bei Verwendung von Lasern mit mehreren Emissionslinien können in dem Filterrad 13 auch ein oder mehrere Plätze für Interferenz-oder Kantenfilter geeigneter Transmissionswellenlänge verwendet werden.

Auf der rechten Seite dieses Bereichs befindet sich ein weiteres Filterrad (14) zur Selektion der Wellenlängen, bei denen die Signalerfassung des von der Sensorplattform ausgehenden Lichts erfolgen soll, mithilfe von Interferenzfiltern (8). Die Signalerfassung kann sowohl bei den Emissionswellenlängen der angeregten einen oder mehreren Lumineszenzen als auch bei den Emissionswellenlängen der Anregungslichtquellen, gegebenenfalls in Kombination mit Neutralfiltern zur Abschwächung der Lichtintensität, erfolgen. In einer beispielhaften Ausführungsform des Systems erfolgt die Messung des bei den Anregungswellenlängen von der Sensorplattform abgestrahlten Lichts mithilfe von vorzugsweise schmalbandigen Filtern (d. h. < 10 nm Transmissionsbreite) bei folgenden Zentral-Transmissionswellenlängen : A) 635 nm (Emissionswellenlänge des Lasers 635 nm) B) 532 nm (Emissionswellenlänge des Lasers 532 nm) C) 492 nm (Emissionswellenlänge des Lasers 492 nm).

Im Falle schwacher Lumineszenzen, deren Intensität im Vergleich zur angeregten Lumineszenz vernachlässigbar ist, kann auch auf den Einsatz von spektral selektiven Filtern für die Detektion von Licht bei der Anregungswellenlänge verzichtet werden. Es ist auch möglich, eine mögliche Sättigung des Detektors 9 zu vermeiden, indem Signale bei der Anregungswellenlänge mit kürzeren Belichtungszeiten und/oder einer reduzierten Anregungslichtintensität unter Verwendung eines geeigneten Neutralfilters im Filterrad 13 aufgenommen werden. Auf den Einsatz von Filtern im Filterrad 14 für die Detektion bei der Anregungswellenlänge kann dann gegebenenfalls verzichtet werden.

Zur Detektion des bei den unter A) bis C) genannten Wellenlängen angeregten Lumineszenzlichts werden die entsprechenden Filter D)-F) verwendet : D) Filter zur Signalerfassung von Lumineszenz im Bereich von 650-700 nm, angeregt bei 635 nm E) Filter zur Signalerfassung von Lumineszenz im Bereich von 540-590 nm, angeregt bei 532 nm F) Filter zur Signalerfassung von Lumineszenz im Bereich von 500-550 nm, angeregt bei 492 nm Oberhalb des Filterrades (14) befindet sich das Eingangsobjektiv (7a) eines Tandemobjektivs, unterhalb des Filterrades das Ausgangsobjektiv (7b) eines Tandemobjektivs.

Im darunterliegenden Bereich befinden sich Spiegel 15a, 15b und 15c zur Umlenkung des, vorzugsweise direkt auf diese Spiegel, eingestrahlten Anregungslichts. Diese Spiegel 15a-c sind vorzugsweise gegeneinander versetzt in y-Richtung montiert und so ausgerichtet, dass das Anregungslicht unter der geeigneten räumlichen Ausrichtung auf den entsprechenden Spiegeln 12 a-c auftrifft, um die Resonanzbedingung für die jeweilige Anregungswellenlänge zur Einkopplung des Anregungslichts in die wellenleitende Schicht einer Sensorplattform über eine Gitterstruktur (4) zu ermöglichen. Mit der beschriebenen beispielhaften Anordnung der Spiegel 12 a-c und 15 a-c (wobei eine Erweiterung auf eine grössere Anzahl von Lichtquellen unterschiedlicher Emisionswellenlänge und zusätzlicher optischer Komponenten zur Strahlumlenkung Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist) ermöglicht insbesondere auch die gleichzeitige Einstrahlung von Anregungslicht unterschiedlicher Wellenlängen, sofern der Strahlversatz zwischen dem Auftreffen dieses Anregungslichts auf der Sensorplattfrom ausreichend gering ist. Die Spiegel 15 a-c können im Wartungsfall in z-Richtung justiert werden.

Selbstverständlich können alle vorangehend genannten Spiegel in ihrer Funktion durch andere strahlumlenkende optische Komponenten, wie beispielsweise Prismen, ersetzt werden.

Der gesamte rechte dargestellte Teil dieses Bereichs, der vorzugsweise separat thermostatisiert wird, wird in dieser beispielhaften Ausführung eingenommen von dem Detektor (9), bei dem es sich vorzugsweise um einen ortsauflösenden Detektor, besonders vorzugsweise um eine CCD-Kamera, handelt.

Die Anregungslichtquellen (in der Abbildung nicht dargestellt), von denen das Anregungslicht aus einem in dieser Ausführungsform verdeckten Teil dieses Bereichs eingestrahlt wird, sind so justiert, dass sie auf die Spiegel 15 a-c unter den geeigneten räumlichen Ausrichtungen fallen, um nach Strahldurchgang über die anderen, vorgenannten optischen Elemente im Anregungsstrahlengang für die jeweilige Wellenlänge die Resonanzbedingung für die jeweilige Anregungswellenlänge zur Einkopplung des Anregungslichts in die wellenleitende Schicht einer Sensorplattform über eine Gitterstruktur (4) zu ermöglichen.

In einer beispielhaften Ausführungsfrom des Systems werden Laser oder Laserdioden mit Hauptemissionswellenlängen bei 635, 532 und 492 nm verwendet.

Mit (16) ist im linken unteren Teil des unteren Bereichs eine Anordnung von Ventilatoren bezeichnet, welche der Luftzufuhr oder-abfuhr in das System dienen, insbesondere um die Thermostatisierung der verschiedenen Bereiche des Systems zu ermöglichen oder zu erleichtern.

Auf der rechten Seite von Abbildung 2 ist ein Stacker (17) dargestellt, in dem eine Vielzahl von erfindungsgemässen Sensorplattformen bzw. von Einheiten aus Sensorplattformen und entsprechenden Probenbehältnissen, insbesondere zur seriellen Durchführung einer Vielzahl von Messungen, gelagert werden können. Dieser Stacker ist vorzugsweise ausgestaltet zur Aufnahme von derartigen Komponenten mit den Aussenabmessungen einer Standard- Mikrotiterplatte. Die Eingabe der Komponenten erfolgt über den Eingabebereich (18), welcher zusätzlich eine Abdeckung umfasst und eine Vorrichtung zur Abstreifung eines optionalen Schutzbodens der erfindungsgemässen Sensorplattform umfasst (hier nicht dargestellt). Über eine ebenfalls nicht dargestellte Lichtschranke im Eingabebereich wird kontrolliert, ob sich dort eine Sensorplattform befindet und ob diese Sensorplattform den systemkonformen Abmessungen entspricht und in richtiger Ausrichtung in den Eingabebereich eingeführt wurde.

Der Bereich des Stackers kann gegebenenfalls ebenfalls separat thermostatisiert werden.

Die Eingabe der Sensorplattformen in den Eingabebereich (18) kann manuell oder auch computergesteuert über einen geeigneten Roboterarm erfolgen.