DE102009035578B3

DE102009035578B3 - Faseroptischer Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor zur Bestimmung von Brechzahlen faserangrenzender Medien

Info

Publication number: DE102009035578B3
Application number: DE102009035578A
Authority: DE
Inventors: Tobias Schuster
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Schuster Tobias De
Priority date: 2008-08-29
Filing date: 2009-07-22
Publication date: 2011-04-21
Anticipated expiration: 2028-08-30
Also published as: DE102008046320B3

Abstract

Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor zur Bestimmung von Brechzahlen faserangrenzender Medien nach Patent 10 2008 046 320, enthaltend mindestens eine als optischer Wellenleiter eingesetzte Singlemode-Faser (3), eine Lichtquelle (4) und einen Detektor (5), die sich im Einstrahlungs- und Ausstrahlungsbereich (26) der Singlemode-Faser (3) befinden, wobei zwischen Faser (3) und Lichtquelle (4)/Detektor (5) ein Faserkoppler (24) oder Zirkulator (28) gespleißt angeordnet ist und wobei das Licht an dem der Lichtquelle (4) zugewandten Eingangsbereich (6) in die Faser (3) eintritt und die Faser (3) einen dem Eingangsbereich (6) entgegengesetzt gerichtet ausgebildeten Endbereich (7) aufweist, und weitere folgende Funktionselemente
- ein im Kernbereich (8) der optischen Faser (3) eingeschriebenes langperiodisches Bragg-Gitter (9) - LPG - zur Kopplung der Eingangs-Kernmode (10) in eine ausgewählte Mantelmode (11),
- eine die Oberfläche (25) des Mantels (12) der Faser (3) rundum umgebende dünne Mantelmetallschicht (13), an der die ausgewählte Mantelmode (11) eine Oberflächenplasmonenwelle (14) angeregt und die zur Einkopplung der Mantelmode (11) angeordnet ist, und
wobei die verbleibende optische Leistung (I_opt) in der Ausgangs-Kernmode (15) dem Detektor (5) zur Messung und Auswertung gemäß einer funktionalen Abhängigkeit I_opt = f (n_A,λ) zugeführt wird,
wobei der Endbereich (7) sowohl rundum um den Fasermantel (12) mit einer ...

Description

Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor zur Bestimmung von Brechzahlen faserangrenzender Medien nach Patent 10 2008 046 320.
In der 1 sind in einer reflektiven Anordnung eines Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensors 30 eine als optischer Wellenleiter eingesetzte Singlemode-Faser 3, eine Lichtquelle 4 und ein Detektor 5, die sich im Einstrahlungs- und Ausstrahlungsbereich 26 der Singlemode-Faser 3 befinden, wobei zwischen Faser 3 und Lichtquelle 4/Detektor 5 ein Faserkoppler 24 oder Zirkulator 28 gespleißt angeordnet ist und wobei das Licht an dem der Lichtquelle 4 zugewandten Eingangsbereich 6 in die Faser 3 eintritt und die Faser 3 einen dem Eingangsbereich 6 entgegengesetzt gerichtet ausgebildeten Endbereich 7 aufweist, sowie weitere folgende Funktionselemente vorgesehen:

– ein im Kernbereich 8 der Faser 3 eingeschriebenes langperiodisches Bragg-Gitter 9 – LPG – zur Kopplung einer Eingangs-Kernmode 10 in eine ausgewählte Mantelmode 11,
– ein kurzperiodisches Faser-Bragg-Gitter 27 – FBG – zur Reflexion der ausgangsseitigen Mantelmode,
– eine den Mantel 12 der Singlemode-Faser 3 rundum umgebende dünne Metallschicht 13, an der die ausgewählte Mantelmode 11 eine Oberflächenplasmonenwelle 14 anregt und die zwischen dem langperiodischen Bragg-Gitter 9 und dem kurzperiodischen Faser-Bragg-Gitter 27 angeordnet ist, wobei das dem ersten langperiodischen Bragg-Gitter 9 zugeordnete kurzperiodische Faser-Bragg-Gitter 27 die Oberflächenplasmonenwellen 14 anregende Mantelmode 11 in ihrer Strahlrichtung umkehrt und die reflektierte Mantelmode 18 über das langperiodische Gitter 9 in die Ausgangs-Kernmode 15 rückkoppelt, und
– wobei die verbleibende optische Leistung I_opt in der Ausgangs-Kernmode 15 dem Detektor 5 zur Messung und Auswertung gemäß einer funktionalen Abhängigkeit I_opt = f(n_A, λ) zugeführt wird,

Die Perioden des kurzperiodischen Faser-Bragg-Gitters 27 sind im Bereich von 100 nm bis 1 μm und die Perioden A des langperiodischen Bragg-Gitters 9 sind im Bereich von 10 μm bis 100 μm vorgegeben.
Die den Mantel 12 der Singlemode-Faser 3 rundum umgebende dünne Metallschicht 13 kann aus Metallen wie Gold, Silber, Palladium, Kupfer oder Aluminium bestehen.
Die Lichtquelle 4 regt die Eingangs-Kernmode 10 an, die durch das langperiodische Bragg-Gitter 9 in die anregende Mantelmode 11 gekoppelt wird, wobei die erforderliche Periode A des langperiodischen Bragg-Gitters 9 sich aus der Differenz der effektiven Brechzahl n_LP01 der Eingangs-Kernmode 10 und der effektiven Brechzahl n_LP0m der anregenden Mantelmode 11 sowie der Arbeitswellenlänge λ ergibt.
Der Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor 30 nach Patent 10 2008 046 320 enthält eine monochromatische Lichtquelle 4, die ein derartig begrenztes Spektrum aufweist, dass die gesamte optische Leistung zwischen Eingangs-Kernmode 10 oder Ausgangs-Kernmode 15 und anregender Mantelmode 11, 18 von dem langperiodischen Bragg-Gitter 9 gekoppelt wird und das kurzperiodische Faser-Bragg-Gitter 27 die gesamte optische Leistung der Eingangs-Kernmode 10 oder der anregenden Mantelmode 11 reflektieren.
Die Lichtquelle 4 kann eine Laserdiode und der Detektor 5 kann eine Photodiode sein.
An der Grenzfläche der dünnen Metallschicht 13 zum angrenzenden Medium 2 werden Oberflächenplasmonenwellen 14 angeregt, wobei der Betrag der Leistung, die der anregenden Mantelmode 11 entzogen wird, von der Arbeitswellenlänge λ der Lichtquelle 4, der effektiven Brechzahl n_LP0m der anregenden Mantelmode 11 und der Brechzahl n_A des angrenzenden Mediums 2 sowie von der komplexen Permittivität ε_M des Metalls 13 bestimmt wird.
Auf der dünnen Metallschicht 13 kann eine intermediale Schicht 19 aufgebracht sein.
Die dünne intermediale Schicht 19 kann eine hohe Brechzahl zur Anpassung an den niedrigen Brechzahlbereich n_A des angrenzenden Mediums 2 aufweisen.
Das als Reflektor dienende kurzperiodische Faser-Bragg-Gitter 27 ist für die effektive Brechzahl n_LP0m der die Oberflächenplasmonenwelle 14 anregenden Mantelmode 11 ausgelegt.
Das Problem der reflektiven Anordnung der eingesetzten Bragg-Gitter 9, 27 innerhalb des Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensors 30 besteht darin, dass ein hoher Aufwand zur Ausbildung der Faser-Bragg-Gitter-Anordnungen 9, 27 innerhalb der optischen Faser 3 vorhanden ist.
Moderne Biosensoren erfordern nicht nur einen hohe Empfindlichkeit und Selektivität, sondern auch geringe Kosten. Glasfasern, die in der Telekommunikation eingesetzt werden, sind für solche Aufgaben wegen ihrer kleinen Größe, der chemischen und biologischen Kompatibilität und ihrer elektromagnetischen Toleranz geeignet.
Die Bewertung der Oberflächenplasmonenwellen stellt ein bereits eingesetztes Verfahren für die selektive Detektion von kleinen Konzentrationen von biochemischen Agenzien dar, wie in der Druckschrift Homola et al.: Surface plasmon resonance sensors: review, Sensors and Actuators, B54, 1999, S. 3–15 beschrieben ist.
Ein Problem besteht darin, dass das evaneszente Feld des Lichtes, das im Fasermantel geführt wird, potenziell nicht fähig ist, Oberflächenplasmonenwellen an einer dünnen Metallschicht anzuregen, da die optische Leistung sich normalerweise innerhalb des Faserkerns ausbreitet. Wird die Faserummantelung vor der Metallisierung beseitigt, entstehen offensichtlich Stabilitätsprobleme.
Multimode-Fasern mit einem Kerndurchmesser von über 1000 μm werden benutzt, um die mechanische Stabilität aufrechtzuerhalten, wie in der Druckschrift Obando et al.: Manufacture of robust surface plasmon resonance fiber optic based dip-grobes, Sensors and Actuators, B100, 2004, S. 439–449 beschrieben ist. Nichtsdestoweniger, die erforderliche Empfindlichkeit des Sensors ist nur erreichbar durch die Anregung mit einer Singlemode-Faser. Der Kerndurchmesser der genutzten Singlemode-Fasern ist zwar geringer als 10 μm und versagt, um die Sensorstabilitäts-Anforderungen für das Feld zu erfüllen, wie in der Druckschrift Chiu et al.: Optimum sensitivity of single-mode D-type optical fiber sensor in the intensity measurement, Sensors and Actuators, B123, 2007, S. 1120–1124 beschrieben ist.
Andererseits ist das langperiodische Bragg-Gitter zum bidirektionalen Koppeln mit der ausgewählten Mantelmode fähig, wie in der Druckschrift Othonos et al.: Fiber Bragg Gratings, Artech House Inc., 1999, S. 142–143 beschrieben ist.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen faseroptischen Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor zur Bestimmung von Brechzahlen n_A faserangrenzender Medien anzugeben, der derart geeignet ausgebildet ist, dass der Aufwand zu seiner Herstellung wesentlich verringert wird. Außerdem soll trotz der Stabilitätsprobleme eine Möglichkeit gefunden werden, im Bereich zwischen der Faser und dem mit ihr im Kontakt stehenden Medium eine Verbesserung der Stabilität herbeizuführen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 11 gelöst. Der faseroptische Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor zur Bestimmung von Brechzahlen n_A faserangrenzender Medien
enthält gemäß Patent 10 2008 046 3205
mindestens eine als optischer Wellenleiter eingesetzte Singlemode-Faser, eine Lichtquelle und einen Detektor, die sich im Einstrahlungs- und Ausstrahlungsbereich der Singlemode-Faser befinden, wobei zwischen Faser und Lichtquelle/Detektor ein Faserkoppler oder Zirkulator gespleißt angeordnet ist und wobei das Licht an dem der Lichtquelle zugewandten Eingangsbereich in die Faser eintritt und die Faser einen dem Eingangsbereich entgegengesetzt gerichtet ausgebildeten Endbereich aufweist,
sowie weitere folgende Funktionseinheiten:

– ein im Kernbereich der optischer Faser eingeschriebenes langperiodisches Bragg-Gitter zur Kopplung der Eingangs-Kernmode in eine ausgewählte Mantelmode,
– eine den Mantel der Faser rundum umgebende dünne Mantelmetallschicht, an der die ausgewählte Mantelmode eine Oberflächenplasmonenwelle anregt und die zur Einkopplung der Mantelmode und zur Auskopplung der den Bereich der Mantelmetallschicht verlassenden Mantelmode angeordnet ist,

_opt

_A

Die im Endbereich die Oberfläche des Fasermantels rundum umgebende Mantelmetallschicht und die stirnendseitig angebrachte Metalldünnschicht können eine verbindende Einheitsmetallschicht darstellen.
Eine intermediale Schicht kann auf der die Faser rundum umgebenden Mantelmetallschicht aufgebracht sein.
Die Metallisierung der endseitigen Stirnfläche des Endbereiches und des Fasermantels des Endbereiches kann in einem Prozessschritt erfolgen.
Die stirnseitige Metalldünnschicht kann eine Schichtdicke von mindestens 50 nm aufweisen.
Die den Fasermantel rundum umgebende Mantelmetallschicht kann eine Länge parallel zur Faserachse aufweisen, die mindestens im einstelligen Millimeterbereich liegt.
Das langperiodische Bragg-Gitter weist eine Periode A auf, die mechanisch abstimmbar ist.
Als Lichtquelle kann eine Laserdiode und als Detektor kann eine Photodiode vorgesehen sein.
Die dünne intermediale Schicht kann eine hohe Brechzahl zur Anpassung an den niedrigen Brechzahlbereich n_A des faserangrenzenden Mediums aufweisen.
Die intermediale Schicht kann mindestens eine biofunktionale Schicht zur Untersuchung von biotechnologischen Vorgängen aufweisen, wobei die biofunktionale Schicht selektiv einen umgebenden biochemischen Stoff an sich bindet und so eine Änderung der Brechzahl n_A des faserangrenzenden Mediums zur Messung und Auswertung herbeiführt.
Die Vorteile dieses Sensors bestehen darin:
Die Erfindung kann einen neuen faseroptischen Biosensor darstellen, der für die Ausmessung von miniaturisierten Systemen vorgesehen ist.
Der Sensor enthält ein langperiodisches Faser-Bragg-Gitter (LPG) im Kernbereich einer Singlemode-Faser zur Anregung von Oberflächenpläsmonen-Resonanz-Wellen, die empfindlich auf den molekularen Bindungsprozess auf der Sensoroberfläche reagieren.
Ein zweiter erfindungsgemäßer faseroptischer Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor zur Bestimmung von Brechzahlen n_A von faserangrenzenden Medien gemäß Patent 10 2008 046 320 enthält
eine als optischer Wellenleiter eingesetzte Singlemode-Faser,
eine Lichtquelle und einen Detektor, die sich im Einstrahlungs- und Ausstrahlungsbereich der Singlemode-Faser befinden,
wobei zwischen Faser und Lichtquelle/Detektor ein Faserkoppler oder Zirkulator gespleißt angeordnet ist und wobei das Licht an dem der Lichtquelle zugewandten Eingangsbereich in die Faser eintritt und die Faser einen dem Eingangsbereich entgegengesetzt gerichtet ausgebildeten Endbereich aufweist,
und weitere Funktionselemente

– ein im Kernbereich der optischen Faser eingeschriebenes langperiodisches Bragg-Gitter – LPG – zur Kopplung der Eingangs-Kernmode in eine ausgewählte Mantelmode,
– eine die Oberfläche des Mantels der Faser rundum umgebende dünne Mantelmetallschicht, an der die ausgewählte Mantelmode eine Oberflächenplasmonenwelle anregt und die zur Einkopplung der Mantelmode angeordnet ist, und

_opt

_A

₁

₂

₃

₁

₀₁

₁

₂

₃

_0m

₁

_0m+i

₂

_0m+k

₃

₁

₂

₃

₀₁

₁

₂

₃

_0m

₁

_0m+i

₂

_0m+k

₃

₁

₂

₃

_0m

₁

_m+i

₂

_0m+k

₃

Dem Detektor wird zur Messung und Auswertung die optischen Leistung I_opt = f(n_A, λ) gemäß der funktionalen wellenlängenabhängigen Abhängigkeit zugeführt.
Zur wellenlängenabhängigen Auswertung können als Detektor ein optischer Spektralanalysator vorgesehen und/oder den Wellenlängen λ₁, λ₂, λ₃ zugeordnete Filter vor die als Detektor vorgesehene Photodiode geschaltet sein.
Eine Referenzierung der SPR-Signale kann somit auf ein und derselben Faser erfolgen.
Das faserangrenzende Medium kann aus einer einzelnen Komponente oder aus mehreren Komponenten biologischen oder chemischen Materials bestehen.
Eine partielle laterale Strukturierung des Schichtaufbaus der den Fasermantel rundum umgebenden Mantelmetallschicht einschließlich der Metall-Bragg-Gitter – MBG – mit unterschiedlichen Perioden Λ₂, Λ₃ mit einer Länge von etwa 10 μm–300 μm und dessen selektiver Beschichtung mit biologischen Sondenmolekülen als intermediale Schicht sind ausgebildet.
Die Arbeitswellenlängen λ₂, λ₃ können nur an dem entsprechenden Metall-Bragg-Gitter jeweils eine Oberflächenplasmonenwelle SPR(λ₂), SPR(λ₃) auslösen.
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird an zwei Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher erläutert:
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines faseroptischen Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensors nach Patent 10 2008 046 320,
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen ersten faseroptischen Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensors und
3 eine effektive Brechungsindex (n_eff)-Arbeitswellenlängen (λ)-Kurve für eine Goldmantelmetallschicht und Goldmetalldünnschicht (je 50 nm) auf einer SiO₂-Faser nach 2, wobei
3a die effektive Brechzahl n_eff der Oberflächenplasmonwelle mit und ohne zusätzlicher Ta₂O₅-Beschichtung und LPG-Parameter an verschiedenen Arbeitswellenlängen λ und
3b die Reflektivität der Substrat-Metall Grenzfläche an unterschiedlichen Arbeitswellenlängen λ in Abhängigkeit der Brechzahl n_A eines faserangrenzenden Mediums
zeigen, und
4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen zweiten faseroptischen Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensors 40 zum ortsaufgelösten, gleichzeitigen Nachweis verschiedener faserangrenzender Medien 2 – Analyten –.
In 2 ist ein erster faseroptischer Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor 1 zur Bestimmung von Brechzahlen n_A eines umgebenden Mediums 2 gemäß Patent 10 2008 046 320 dargestellt, der
enthält
eine als optischer Wellenleiter eingesetzte Singlemode-Faser 3,
eine Lichtquelle 4 und einen Detektor 5, die sich im Einstrahlungs- und Ausstrahlungsbereich 26 der Singlemode-Faser 3 befinden,
wobei zwischen Faser 3 und Lichtquelle 4/Detektor 5 ein Faserkoppler 24 oder Zirkulator gespleißt angeordnet ist und wobei das Licht an dem der Lichtquelle 4 zugewandten Eingangsbereich 6 in die Faser 3 eintritt und die Faser 3 einen dem Eingangsbereich 6 entgegengesetzt gerichtet ausgebildeten Endbereich 7 aufweist, und
weitere folgende Funktionselemente

– ein im Kernbereich 8 der optischen Faser 3 eingeschriebenes langperiodisches Bragg-Gitter 9 – LPG – zur Kopplung der Eingangs-Kernmode 10 in eine ausgewählte Mantelmode 11,
– eine die Oberfläche 25 des Mantels 12 der Faser 3 rundum umgebende dünne Mantelmetallschicht 13, an der die ausgewählte Mantelmode 11 eine Oberflächenplasmonenwelle 14 anregt und die zur Einkopplung der Mantelmode 11 angeordnet ist,

15

5

_ogt

_A

Erfindungsgemäß ist der Endbereich 7 sowohl rundum um den Fasermantel 12 mit einer Mantelmetallschicht 13 als auch stirnendseitig mit einer Metalldünnschicht 17 belegt,
wobei von der Metalldünnschicht 17 aus für die eingekoppelte Mantelmode 11 und im Endbereich 7 verlaufende Mantelmode 14 ein reflektiver Strahlengang mit einer im Endbereich 7 reflektierten Mantelmode 18 und einer den Endbereich 7 verlassenden Mantelmode 23 erzeugt wird und
wobei dasselbe langperiodische Bragg-Gitter 9 im reflektiven Strahlengang zur Kopplung der den Endbereich 7 verlassenden Mantelmode 23 in eine Ausgangs-Kernmode 15 dient, die vom Detektor 5 registriert wird.
Die im Endbereich 7 die Oberfläche 25 des Mantels 12 der Faser 3 rundum umgebende Mantelmetallschicht 13 und die an der endseitigen Stirnfläche 20 angebrachte Metalldünnschicht 17 können eine verbindende Einheitsmetallschicht 21 darstellen.
Eine intermediale Schicht 19 kann auf der die Faser 3 rundum umgebenden Mantelmetallschicht 13 aufgebracht sein.
Die Metallisierung der endseitigen Stirnfläche 20 und des Fasermantels 12 des Endbereiches 7 kann in einem Prozessschritt erfolgen.
Die stirnseitige Metalldünnschicht 17 kann wie die Mantelmetallschicht 13 eine Schichtdicke von mindestens 50 nm aufweisen.
Die den Fasermantel 12 rundum umgebende Mantelmetallschicht 13 kann eine Länge parallel zur Faserachse 16 aufweisen, die im einstelligen Millimeterbereich liegt.
Es kann ein langperiodisches Bragg-Gitter 9 vorgesehen sein, dessen Periode A mechanisch abstimmbar ist.
Die Lichtquelle 4 kann eine Laserdiode und der Detektor 5 kann eine Photodiode sein.
Die dünne intermediale Schichten 19 kann eine hohe Brechzahl zur Anpassung an den niedrigen Bereich der Brechzahl n_A des faserangrenzenden Mediums 2 aufweisen.
Die intermediale Schicht 19 kann mindestens eine biofunktionale Schicht zur Untersuchung von biotechnologischen Vorgängen aufweisen, wobei die biofunktionale Schicht selektiv einen umgebenden biochemischen Stoff an sich bindet und so eine Änderung der Brechzahl n_A, des faserangrenzenden Mediums 2 zur Messung und Auswertung herbeiführt.
In 2 ist beispielhaft der Sensor 1 in einem mit dem flüssigen Medium 2 gefüllten Behälter 22 eingeführt, um die ermittelte Brechzahl n_A das flüssige Medium 2 zu bestimmen. Aber auch gasförmige Medien können mit dem Sensor 1 ermittelt werden, dann aber z. B. in einem verschließbaren Behälter.
Um einen empfindlichen Sensor 1 mit einer ausreichenden mechanischen Stabilität herzustellen, bleibt in 2 die Ummantelung auf dem Fasermantel 12. Einige Millimeter des Fasermantels 12 des Endbereiches 7 der Singlemode-Faser 3 und die endseitige Stirnfläche 20 sind deshalb mit der Metallschicht 13 17, vorzugsweise mit Gold oder Silber, belegt.
Der indirekte Messgeber ist die verbleibende optische Leistung I_opt, die durch das metallisierte Faserende 20 reflektiert und an einer einzelnen Wellenlänge λ ausgewertet wird.
Eine einfache Laserdiode 4 und eine Fotodiode 5 sind deshalb durch den Faserschmelzkoppler 24 im Eingangsbereich 6 mit der Faser 3 verbunden.
Die optische Leistung I_opt wird durch die verlustlose Kernmode LP₀₁ übertragen.
Der Endbereich 7 des Fasermantels 12 der zylindrischen Singlemode-Glasfaser 3 kann somit mit einem Mehrlagensystem dünner Schichten (jede < 100 nm) versehen sein. In diesem ca. 2 Millimeter langen Endbereich 7 wird durch eine einzelne Mantelmode LP_0m eine verlustbehaftete Oberflächenplasmonenwelle angeregt. Das Mehrlagensystem kann sich im einfachsten Fall aus einer Metallschicht 13, vorzugsweise aus Gold oder Silber, einer dielektrischen Schicht zur Anpassung des Brechungsindexes an die flüssige Umgebung (faserangrenzendes Medium 2) und einer intermedialen, funktionellen Schicht 19 biomolekularer Sonden zum selektiven Nachweis eines biochemischen Analyten zusammensetzen. Die nach der Resonanz verbleibende optische Leistung I_opt, welche an der metallisierten endseitigen Stirnfläche 20 reflektiert wird, dient als mittelbare Messgröße des Sensors 1. Die Auswertung erfolgt durch eine Reflexionsmessung mittels der Laserdiode 4 und der Photodiode 5, die über einen Faserschmelzkoppler 24 mit dem Eingangsbereich 6 der Faser 3 verspleißt verbunden sind. Die optische Leistung I_opt wird dabei in der Kernmode LP₀₁ verlustfrei zum dargestellten Eingangsbereich 6 übertragen. Das langperiodische Bragg-Gitter 9 ermöglicht dort die bidirektionale Kopplung zwischen der Kernmode LP₀₁ und einer ausgewählten Mantelmode LP_0m.
Die in 3a dargestellten Simulationen des effektiven Brechungsindexes n_eff der Oberflächenplasmonenwellen 14 zeigen, dass die Anregung in einem breiten Spektralbereich möglich ist. Die beispielhafte Arbeitswellenlänge auf dem Oberflächenplasmonenwellen-Grafen zeigt die Ordnung der Anregung der Mantelmode ebenso wie die notwendige LPG-Periode A und der Länge L. Die Reflektivität der Faser-Metall-Grenzfläche in 3b zeigt die Empfindlichkeit bezüglich des faserangrenzenden Brechungsindexes n_A (d. h. durch den molekularen Bindungsprozess nahe der Metalloberfläche) im nahen Infrarot-Spektralbereich am höchsten.
Die dargestellten Simulationsergebnisse betreffen die Arbeitswellenlänge und deren Einfluss auf die Sensorempfindlichkeit und auf die LPG-Parameter.
Der erfindungsgemäße Sensor 1 hat vielfältige Vorteile gegenüber existierenden Sensoren:

– Durch die Anregung der Oberflächenplasmonen-Resonanz mit einer einzelnen Fasermode kann eine hohe Empfindlichkeit erreicht werden.
– Durch die zylindrische Faserform arbeitet der Sensor 1 unabhängig von der Polarisation des in der Faser 3 geführten Lichts und gewährleistet so eine hohe Effizienz und Störresistenz.
– Da die übertragene optische Leistung bei einer diskreten Arbeitswellenlänge ausgewertet werden kann, wird eine teuere und raumgreifende Auswertung durch ein Spektrometer vermieden.
– Die reflektive Anordnung kann einen einfachen Messaufbau bewerkstelligen. Der Sensor 1 kann so direkt in das zu untersuchende faserangrenzende Medium 2 eingeführt werden, wodurch der Einsatz von mikrofluidischen Komponenten vollständig eliminiert werden kann.
– Es wird ein Betrieb im infraroten Spektralbereich bei 1550 nm durchgeführt. Dadurch kann nicht nur eine hohe Empfindlichkeit, sondern auch die Kompatibilität zu robusten optischen Komponenten aus der Nachrichtentechnik erreicht werden.

Um die Abhängigkeit des erfindungsgemäßen Sensors 1 von der Wellenlänge λ und der Brechzahl n_A des faserangrenzenden Mediums 2 sowie die notwendigen Parameter des langperiodischen Bragg-Gitters 9 abschätzen zu können, wurde eine Modellierung vorgenommen. Vereinfachend wurde dabei davon ausgegangen, dass sich die Oberflächenplasmonenwelle unabhängig von der Mantelmode auf einer ebenen Metallschicht ausbreitet. Unter diesen Bedingungen kann die Ausbreitungskonstante der Oberflächenplasmonenwelle nach Gleichung (I) mit
berechnet werden. Wird von einer umgebenden Brechzahl n_A, von 1,37 ausgegangen, so ergibt sich der in 3a dargestellte Verlauf der effektiven Brechzahl n_eff über der Wellenlänge λ. Die komplexe Permittivität der Goldschicht 13, 17 kann der Literatur entnommen werden.
In 3a wird die effektive Brechzahl der Oberflächenplasmonwelle mit zusätzlicher und ohne zusätzliche Ta₂O₅-Beschichtung und LPG-Parameter an verschiedenen Arbeitswellenlängen λ dargestellt. Die 3b zeigt die Reflektivität der Substrat-Metall-Grenzfläche an unterschiedlichen Arbeitswellenlängen λ in Abhängigkeit der Brechzahl n_A des faserangrenzenden Mediums 2.
Es konnte gezeigt werden, dass eine Oberflächenplasmonenwelle in einem breiten Spektralbereich durch eine zylindersymmetrische Mantelmode angeregt werden kann. An vier beispielhaften Arbeitswellenlängen λ sind die Periode A nach Gleichung (II) mit Λ_LPG = λ_Bragg/n_LP01 – nLP_0m (II) sowie die radiale Ordnung der Mantelmode und die Länge L des notwendigen langperiodischen Bragg-Gitters 9 aufgeführt. Die Berechnung dieser Parameter erfolgte unter der stark vereinfachten Annahme einer Glasfaser 3 ohne Metallbeschichtung. Es wurden technischen Daten kommerziell erhältlicher Singlemodefasern sowie die Programme IFO-GRATINGS und FIBER-CAD verwendet. Für eine korrekte Modellierung des Sensorsystems wird es zweckmäßig, die metallisierte Wellenleiterstruktur mathematisch zu beschreiben.
Um die Empfindlichkeit des Sensor 1 abschätzen zu können, wurde das Verhältnis von einfallender optischer Leistung und total reflektierter optischer Leistung (Reflektivität) an der Substrat-Metall-Grenzfläche berechnet. Die Abhängigkeit von der Brechzahl n_A des faserangrenzenden Mediums 2 ist in 3b für unterschiedliche Arbeitswellenlängen λ dargestellt. Die Berechnung geht auf eine Methode nach Fresnel zurück und verwendet einen Ansatz aus der elektrischen Leitungstheorie, bei welchem die Wellenimpedanz des faserangrenzenden Mediums 2 durch die komplexe Wellenimpedanz des Metalls transformiert wird. Aus dem Anstieg der Kennlinien lässt sich die Empfindlichkeit des Sensors 1 ableiten, die mit wachsender Wellenlänge zunimmt. Es zu beachten, dass gerade im hochempfindlichen infraroten Wellenlängenbereich nur Mantelmoden hoher Ordnung zur Anregung einer Oberflächenplasmonenwelle geeignet sind. Diese führen nur geringe Feldanteile im Faserkern 8, sodass ein sehr langes langperiodisches Bragg-Gitter 9 notwendig ist, um die gesamte optische Leistung zu konvertieren. Wird eine dünne intermediale Schicht 19 hoher Brechzahl über der Goldschicht 13 aufgebracht, lässt sich die effektive Brechzahl n_eff der Oberflächenplasmonenwelle zu höheren Werten verschieben, welche durch günstigere Mantelmode angeregt werden können. In 3a ist der Effekt einer 45 nm dünnen Ta₂O₅ (Tantalpentoxid) dargestellt. Durch eine solche intermediale Schicht 19 lässt sich nicht nur die Länge des langperiodisches Bragg-Gitters 9 auf praxistaugliche Werte reduzieren, es ist ebenfalls möglich, den erfindungsgemäßen Sensor 1 an wässrige faserangrenzende Medien 2 mit geringer Brechzahl n_A anzupassen.
In 4 ist ein zweiter erfindungsgemäßer auf Reflexionsbasis aufgebauter Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor 40 dargestellt, der mit einem Wellenlämgem-Multiplex seitens des einfallenden Lichtes arbeitet und zum ortsaufgelösten, gleichzeitigen Nachweis verschiedener faserangrenzender Medien 2 – von verschiedenen Analyten – dient.
Der zweite faseroptische Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor 40 zur Bestimmung von Brechzahlen n_A von faserangrenzenden Medien 2 gemäß Patent 10 2008 046 3205
enthält
eine als optischer Wellenleiter eingesetzte Singlemode-Faser 3,
eine Lichtquelle 4 und einen Detektor 5, die sich im Einstrahlungs- und Ausstrahlungsbereich 26 der Singlemode-Faser 3 befinden,
wobei zwischen Faser 3 und Lichtquelle 4/Detektor 5 ein Faserkoppler 24 oder Zirkulator gespleißt angeordnet ist und wobei das Licht an dem der Lichtquelle 4 zugewandten Eingangsbereich 6 in die Faser 3 eintritt und die Faser 3 einen dem Eingangsbereich 6 entgegengesetzt gerichtet ausgebildeten Endbereich 7 aufweist,
und weitere folgende Funktionselemente

_opt

15

5

_opt

_A

Erfidungsgemäß weist die Lichtquelle 4 mehrere Einzellichtquellen 41, 42, 43 zur Einspeisung von Licht unterschiedlicher Arbeitslängenwellen λ₁, λ₂, λ₃ in den Faserkoppler 24 und nachfolgend in die Faser 3 auf, wobei am langperiodischen Bragg-Gitter 9 mit der Gitterperiode Λ₁ aus dem Eingangs-Kernmode LP₀₁(λ₁, λ₂, λ₃) 10 die Mantelmode LP_0m(λ₁), LP0_m+i(λ₂), LP_0m+k(λ₃) 11 entstehen,
wobei der Endbereich 7 sowohl rundum um den Fasermantel 12 mit einer Mantelmetallschicht 13 als auch stirnendseitig mit einer Metalldünnschicht 17 belegt ist,
wobei die Mantelmetallschicht 13 des Endbereiches 7 einen in Richtung zum langperiodischen Bragg-Gitter 9 verlängerten Endbereich 71 aufweist, dem auf dem Fasermantel 12 aufgebrachte Metall-Bragg-Gitter 131, 132 mit jeweils einer zur Gitterperiode Λ₁ des langperiodischen Bragg-Gitters 9 unterschiedlichen Gitterperiode Λ₂, Λ₃ zugeordnet sind,
wobei aus dem Eingangs-Kernmode LP₀₁(λ₁, λ₂, λ₃) bei Durchlauf des langperiodischen Bragg-Gitters 9 die wellenlängenabhängigen Mantelmode LP_0m(λ₁), LP_0m+i(λ₂), LP_0m+k(λ₃) sowie bei Durchlauf des verlängerten Endbereichs 71 und des Endbereiches 7 unterschiedliche wellenlängenabhängige, reflektierte Oberflächenplasmonenwellenlängen SPR(λ₁), SPR(λ₂), SPR(λ₃) entstehen, die als wellenlängenabhängige modifizierte Mantelmode LP_0m(λ₁), LP_0m+i(λ₂), LP_0m+k(λ₃) das langperiodische Bragg-Gitter 9 reflektiv durchlaufen und nach Auskopplung in die Ausgangs-Kernmode 15 durch eine Referenz-Messung mittels des Detektors 5 einer wellenlängenabhängigen Auswertung zugeführt werden.
Dem Detektor 5 wird zur Messung und Auswertung die optischen Leistung I_opt = f(n_A, λ) gemäß der funktionalen wellenlängenabhängigen Abhängigkeit zugeführt.
Zur wellenlängenabhängigen Auswertung können als Detektor 5 ein optischer Spektralanalysator vorgesehen und/oder wellenlängenzugeordnete Filter vor die als Detektor 5 vorgesehene Photodiode geschaltet sein.
Damit erfolgt eine Referenzierung der Oberflächenplasmonen-Resonanz-Signale auf ein und derselben Faser 3.
Das stellt einen großen Vorteil bezüglich der angeschlossenen Messelektronik und Auswerteelektronik und des minimal benötigten Probenvolumens des faserangrenzenden Mediums 2, da in diesem Fall auf eine zweite Referenzfaser verzichtet werden kann, dar, wobei das Medium 2 nunmehr aus einer einzelnen Komponente oder aus mehreren Komponenten biologischen oder chemischen Materials bestehen kann.
Mit dem Wellenlängen-Multiplex können mehrere Einzellichtquellen 41, 42, 43 mit verschiedenen Arbeitslängenwellen λ₁, λ₂, λ₃ eingesetzt werden.
Erforderlich dafür ist es, dass eine partielle laterale Strukturierung des Schichtaufbaus der den Fasermantel 12 rundum umgebenden Mantelmetallschicht 13, 131, 132 einschließlich der Metall-Bragg-Gitter – MBG – 131, 132 mit unterschiedlichen Perioden Λ₂, Λ₃ mit einer Länge von etwa 10 μm–300 μm und dessen selektiver Beschichtung mit biologischen Sondenmolekülen als intermediale Schicht 19, 191, 192 ausgebildet sind.
Dabei können die Arbeitswellenlängen λ₂, λ₃ nur an dem entsprechenden Metall-Bragg-Gitter 131, 132 jeweils eine Oberflächenplasmonenwelle SPR(λ₁), SPR(λ₂), SPR(λ₃) auslösen.
Damit können verschiedene biologische Sondenmoleküle als mehrere Komponenten einem Ort, z. B. einem Flüssigkeitsgemisch in einem Behälter 22, und damit einer Wellenlänge zugewiesen werden.
Die Funktionsweise wird im Folgenden erläutert:
Durch das langperiodische Bragg-Gitter 9 werden mehrere Mantelmoden LP_0m(λ₁), LP_0(m+i)(λ₂) i = ±1, 2, 3 ..., LP_0(m+k)(λ₃) k = ±1, 2, 3 ... an unterschiedlichen Wellenlängen λ₁, λ₂, λ₃ angeregt. Da diese abweichende Ausbreitungskonstanten n_eff gemäß umgestellter Gleichungen (II) λ_1,2,3 = Λ₁·(n_LP01 – n_LP0m1,2,3) (II) und umgestellt n_LP0m1,2,3 = n_LP01 – (λ_1,2,3/Λ₁) (II) mit n_LP0m1 = n_SPW(λ₁), n_LP0m2 ≠ n_SPW(λ₂) und n_LP0m3 ≠ n_SPW(λ₃) besitzen, kann nur mit einer der λ – Arbeitswellenlängen eine SPR(λ₁) an der umstrukturierten Mantelmetallschicht 13, 131, 132 angeregt werden.
Durch die partielle Bragg-Gitter-Strukturierung der Mantelmetallschicht 131, 132 lässt sich die Anpassung der anderen Mantelmoden – Ausbreitungskonstanten n_eff – mit SPR(λ₂) an dem MBG 131 mit der Periode Λ₂ und mit SPR(λ₃) an dem MBG 132 mit der Periode Λ₃ erreichen.
Bezugszeichenliste

1: erster Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor
2: faserangrenzendes Medium
3: Faser
4: Lichtquelle
41: erste Einzellichtquelle
42: zweite Einzellichtquelle
43: dritte Einzellichtquelle
5: Detektor
6: Eingangsbereich
7: Endbereich
71: verlängerter Endbereich
8: Kernbereich
9: langperiodisches Bragg-Gitter – LPG –
10: Eingangs-Kernmode
11: eintretende erste Mantelmode
12: Fasermantel
13: Mantelmetallschicht
131: erste strukturierte Mantelmetallschicht
132: zweite strukturierte Mantelmetallschicht
14: Oberflächenplasmonenwelle – SPW –
15: Ausgangs-Kernmode
16: Faserachse
17: Metalldünnschicht
18: reflektierte Oberflächenplasmonenwelle
19: intermediale Schicht
191: erste strukturierte intermediale Schicht
192: zweite strukturierte intermediale Schicht
20: endseitige Stirnfläche
21: Einheitsmetallschicht
22: Behälter
23: modifizierte zweite Mantelmode
24: Faserkoppler
25: Oberfläche des Mantels
26: Einstrahlungs- und Ausstrahlungsbereich
27: Faser-Bragg-Gitter – FBG –
28: Zirkulator
29: residuale Kernmode
30: Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach Patent 10 2008 046 320
40: zweiter Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor
nA: Brechzahl des faserangrenzenden Mediums
neff: effektive Brechzahl
Λ: Gitterperiode der Bragg-Gitter
λ: Arbeitslängenwelle der Lichtquellen
Iopt: optische Leistung
SPR(λ): Oberflächenplasmonenwelle
LP01(λ): Kernmode
LP0m(λ): Mantelmode

Claims

Faseroptischer Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor (1) zur Bestimmung von Brechzahlen (n_A) faserangrenzender Medien (2) gemäß Patent 10 2008 046 320, enthaltend mindestens eine als optischer Wellenleiter eingesetzte Singlemode-Faser (3), eine Lichtquelle (4) und einen Detektor (5), die sich im Einstrahlungs- und Ausstrahlungsbereich (26) der Singlemode-Faser (3) befinden, wobei zwischen Faser (3) und Lichtquelle (4)/Detektor (5) ein Faserkoppler (24) oder Zirkulator (28) gespleißt angeordnet ist und wobei das Licht an dem der Lichtquelle (4) zugewandten Eingangsbereich (6) in die Faser (3) eintritt und die Faser (3) einen dem Eingangsbereich (6) entgegengesetzt gerichtet ausgebildeten Endbereich (7) aufweist, und weitere folgende Funktionselemente – ein im Kernbereich (8) der optischen Faser (3) eingeschriebenes langperiodisches Bragg-Gitter (9) – LPG – zur Kopplung der Eingangs-Kernmode (10) in eine ausgewählte Mantelmode (11), – eine die Oberfläche (25) des Mantels (12) der Faser (3) rundum umgebende dünne Mantelmetallschicht (13), an der die ausgewählte Mantelmode (11) eine Oberflächenplasmonenwelle (14) anregt und die zur Einkopplung der Mantelmode (11) angeordnet ist, und wobei die verbleibende optische Leistung (I_opt) in der Ausgangs-Kernmode (15) dem Detektor (5) zur Messung und Auswertung gemäß einer funktionalen Abhängigkeit I_opt = f(n_A, λ) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Endbereich (7) sowohl rundum um den Fasermantel (12) mit einer Mantelmetallschicht (13) als auch stirnendseitig mit einer Metalldünnschicht (17) belegt ist, wobei von der Metalldünnschicht (17) aus für die eingekoppelte Mantelmode (11) und im Endbereich (7) verlaufende Mantelmode (14) ein reflektiver Strahlengang mit einer im Endbereich (7) reflektierten Mantelmode (18) und einer den Endbereich (7) verlassenden Mantelmode (23) erzeugt wird und wobei dasselbe langperiodische Bragg-Gitter (9) im reflektiven Strahlengang zur Kopplung der den Endbereich (7) verlassenden Mantelmode (23) in eine Ausgangs-Kernmode (15) dient, die vom Detektor (5) registriert wird.
Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die im Endbereich (7) die Oberfläche (25) des Mantels (12) der Faser (3) rundum umgebende Mantelmetallschicht (13) und die an der endseitigen Stirnfläche (20) angebrachte Metalldünnschicht (17) eine verbindende Einheitsmetallschicht (21) darstellen.
Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine intermediale Schicht (19) auf der die Faser (3) rundum umgebenden Mantelmetallschicht (13) aufgebracht ist.
Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierung der endseitigen Stirnfläche (20) und des Fasermantels (12) des Endbereiches (7) in einem Prozessschritt erfolgt.
Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stirnendseitige Metalldünnschicht (17) und die Mantelmetallschicht (13) eine Schichtdicke von mindestens 50 nm aufweist.
Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den Fasermantel (12) rundum umgebende Mantelmetallschicht (13) eine Länge parallel zur Faserachse (16) aufweist, die mindestens im einstelligen Millimeterbereich liegt.
Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein langperiodisches Bragg-Gitter (9) vorgesehen ist, dessen Periode (A) mechanisch abstimmbar ist.
Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (4) eine Laserdiode und der Detektor (5) eine Photodiode sind.
Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die dünne intermediale Schichten (19) eine hohe Brechzahl zur Anpassung an den niedrigen Brechzahlbereich (n_A) des faserangrenzenden Mediums (2) aufweist.
Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die intermediale Schichten (19) mindestens eine biofunktionale Schicht zur Untersuchung von biotechnologischen Vorgängen aufweist, wobei die biofunktionale Schicht selektiv einen umgebenden biochemischen Stoff an sich bindet und so eine Änderung der Brechzahl (n_A) des faserangrenzenden Mediums (2) zur Messung und Auswertung herbeiführt.
Faseroptischer Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor (40) zur Bestimmung von Brechzahlen (n_A) von faserangrenzenden Medien (2) gemäß Patent 10 2008 046 320, enthaltend eine als optischer Wellenleiter eingesetzte Singlemode-Faser (3), eine Lichtquelle (4) und einen Detektor (5), die sich im Einstrahlungs- und Ausstrahlungsbereich (26) der Singlemode-Faser (3) befinden, wobei zwischen Faser (3) und Lichtquelle (4)/Detektor (5) ein Faserkoppler (24) oder Zirkulator gespleißt angeordnet ist und wobei das Licht an dem der Lichtquelle (4) zugewandten Eingangsbereich (6) in die Faser (3) eintritt und die Faser (3) einen dem Eingangsbereich (6) entgegengesetzt gerichtet ausgebildeten Endbereich (7) aufweist, und weitere folgende Funktionselemente – ein im Kernbereich (8) der optischen Faser (3) eingeschriebenes langperiodisches Bragg-Gitter (9) – LPG – zur Kopplung der Eingangs-Kernmode (10) in eine ausgewählte Mantelmode (11), – eine die Oberfläche (25) des Mantels (12) der Faser (3) rundum umgebende dünne Mantelmetallschicht (13), an der die ausgewählte Mantelmode (11) eine Oberflächenplasmonenwelle (14) anregt und die zur Einkopplung der Mantelmode (11) angeordnet ist, und wobei die verbleibende optische Leistung (I_opt) in der Ausgangs-Kernmode (15) dem Detektor (5) zur Messung und Auswertung gemäß einer funktionalen Abhängigkeit I_opt = f(n_A, λ) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (4) mehrere Einzellichtquellen (41, 42, 43) zur Einspeisung von Licht unterschiedlicher Arbeitslängenwellen (λ₁, λ₂, λ₃) in den Faserkoppler (24) und nachfolgend in die Faser (3) aufweist, wobei am langperiodischen Bragg-Gitter (9) mit der Gitterperiode (Λ₁) aus dem Eingangs-Kernmode LP₀₁(λ₁, λ₂, λ₃) (10) die Mantelmode LP_0m(λ₁), LP_0m+i(λ₂), LP_0m+k(λ₃) (11) entstehen, wobei der Endbereich (7) sowohl rundum um den Fasermantel (12) mit einer Mantelmetallschicht (13) als auch stirnendseitig mit einer Metalldünnschicht (17) belegt ist, wobei die Mantelmetallschicht (13) des Endbereiches (7) einen in Richtung zum langperiodischen Bragg-Gitter (9) verlängerten Endbereich (71) aufweist, zu dem auf dem Fasermantel (12) aufgebrachte Metall-Bragg-Gitter (131, 132) mit jeweils einer zur Gitterperiode (Λ₁) des langperiodischen Bragg-Gitters (9) unterschiedlichen Gitterperiode (Λ₂, Λ₃) gehören, wobei aus dem Eingangs-Kernmode LP₀₁(λ₁, λ₂, λ₃) bei Durchlauf des langperiodischen Bragg-Gitters (9) die wellenlängenabhängigen Mantelmode LP_0m(λ₁), LP_0m+i(λ₂), LP_0m+k(λ₃) sowie bei Durchlauf des verlängerten Endbereichs (71) und des Endbereiches (7) unterschiedliche wellenlängenabhängige, reflektierte Oberflächenplasmonenwellenlängen SPR(λ₁), SPR(λ₂), SPR(λ₃) entstehen, die als wellenlängenabhängige modifizierte Mantelmode LP_0m(λ₁), LP_0m+i(λ₂), LP_0m+k(λ₃) das langperiodische Bragg-Gitter (9) reflektiv durchlaufen und nach Auskopplung in die Ausgangs-Kernmode (15) durch eine Referenz-Messung mittels des Detektors (5) einer wellenlängenabhängigen Auswertung zugeführt werden.
Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Referenzierung der Oberflächenplasmonen-Resonanz-Signale auf ein und derselben Faser (3) erfolgt.
Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das faserangrenzende Medium (2) aus einer einzelnen Komponente oder aus mehreren Komponenten biologischen oder chemischen Materials besteht.
Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine partielle laterale Strukturierung des Schichtaufbaus der den Fasermantel (12) rundum umgebenden Mantelmetallschicht (13, 131, 132) einschließlich der Metall-Bragg-Gitter – MBG – (131, 132) mit unterschiedlichen Perioden (Λ₂, Λ₃) mit einer Länge von etwa 10 μm–300 μm und dessen selektiver Beschichtung mit biologischen Sondenmolekülen als intermediale Schicht (19, 191, 192) ausgebildet sind.
Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitswellenlängen (λ₂, λ₃) nur an dem entsprechenden Metall-Bragg-Gitter (131, 132) jeweils eine Oberflächenplasmonenwelle SPR(λ₂), SPR(λ₃) auslösen.
Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass je nach eingesetztem Sensor (1, 40) der Endbereich (7) und/oder der verlängerte Endbereich (71) des Fasermantels (12) der zylindrischen Singlemode-Faser (3) mit einem Mehrlagensystem dünner Schichten versehen sind, wobei sich das Mehrlagensystem aus einer Metallschicht (13) und/oder mindestens einem Metall-Bragg-Gitter (131, 132) sowie aus zur Metallschicht (13) und dem Metall-Bragg-Gitter (131, 132) korrespondierenden dielektrischen Schicht zur Anpassung des Brechungsindexes an das faserangrenzende Medium (2) und einer entsprechend zugeordneten intermedialen, funktionellen Schicht (19, 191, 192) biomolekularer Sonden zum selektiven Nachweis mindestens eines biochemischen Analyten im faserangrenzenden Medium (2) zusammensetzt.
Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrlagensystem eine Schichtdicke von kleiner als 500 nm aufweist.
Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zur wellenlängenabhängigen Auswertung als Detektor (5) ein optischer Spektralanalysator vorgesehen ist und/oder wellenlängenzugeordnete Filter vor die als Detektor (5) vorgesehene Photodiode geschaltet sind.