CN101688829B - 光学元件 - Google Patents

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Abstract

一种晶片(1)，其包含通道阵列(2)，由该晶片(1)能够生产多个光学元件(4)，每个元件具有带有开口的通道(2)，样品流体可以供给到该开口中，该光学元件(4)适用于使用一种或多种波长的电磁辐射(EMR)的光学分析中，并且其包含了这样的材料，该材料对于该光学分析中使用的EMR是至少部分透明的，该通道(2)布置在每个元件中，以使得样品流体能够供给到其中，并且能够用引导穿过该至少部分透明材料的EMR进行照射，特征在于晶片(1)和光学元件(4)具有内层和一个或多个外层，该内层(8)包含了光学元件(4)的通道(2)，并且外层之一(a，10)包含了反射表面(27)，以使得当光学元件使用时，透射穿过通道(2)中的样品流体(22)的EMR被反射回来，穿过样品流体(22)。

Description

光学元件
本发明涉及小规模光学元件及它们的制造方法。
化学分析中所用的小规模装置变得日益重要，特别是在试验室环境之外能够使用的便携式手持装置领域中，例如用于分析来自公路、铁路或者船运油罐车的样品，和用于分析来自管线和地面储油罐的样品。
小规模光学分析元件的一个例子描述在EP-A-0266769中，其描述了一种具有3mm光路长度的元件，其包含了在金属体中形成的Z形通道。
但是，小规模便携式装置的一个问题是经常需要复杂的制作技术来制造足够小的尺寸的关键部件。另外一个问题是小规模部件的生产可能经常会遇到低的质量一致性以及高的成本。
在便携式光学分析装置的制造中，涉及到曝露于一种或多种频率的电磁辐射的样品的吸收特性和/或反射特性的测量，保持该样品的光学分析元件是一种重要的部件。它必须由这样的材料制成，该材料对于所用的电磁辐射是足够透明的。此外，在可置换的光学分析元件的情况中，用于光学测量的路径长度必须一致以使任何的分析误差最小。
DE20020606U1描述了一种光学元件，其是由具有流体结构或者通道的层和另外一种透明层制成。任选的，在该包含流体结构的层的任一侧可以有两个透明的层。
US5801857描述一种用于测量血糖的微量取样装置，其包含具有微量取样器室的晶片、从该室伸出来的整体成形的针、来自该微量取样器室的排气口，其中该晶片可以由蓝宝石、硅或者陶瓷制成，并且可以任选地适应于光学视窗。微量取样器可以如下来制成：通过在单硅晶片上蚀刻几个微量取样器，并小块切割该晶片来生产单个的装置。
US2007/0160502描述了一种制造微流体装置的方法，包含将两个材料层粘合在一起，其中第一层是基底，并且具有流体口，其提供了对于第二层中的通道微观结构的接近。该装置可以如下来制造：在包含两个层的单个大的晶片上制造几个装置，并且小块切割该晶片来形成单个的微流体装置。
这里仍然存在着对于生产多个高度一致性的光学元件的需要。这里还存在着对于提供更有效的生产这样的元件的方法的需要，该方法更简单、更具有成本和材料效率。此外，这里存在着对于这样的光学元件的需要，该元件能够帮助提高光学分析的质量和精度。此外，这里存在着对于一种改进的光学分析样品的方法的需要。
根据本发明，这里提供了一种晶片，其包含通道阵列，由该晶片能够生产多个光学元件，每个元件具有带有开口的通道，样品流体可以供给到该开口中，该光学元件适用于使用一种或多种波长的电磁辐射(EMR)的光学分析中，并且其包含了这样的材料，该材料对于该光学分析中使用的EMR是至少部分透明的，该通道布置在每个元件中，以使得样品流体能够供给到其中，并且能够用引导穿过该至少部分透明材料的EMR进行照射，特征在于晶片和光学元件具有内层和一个或多个外层，该内层包含了光学元件的通道，并且外层之一包含了反射表面，以使得当光学元件使用时，透射穿过通道中的样品流体的EMR从该反射表面上被反射，并且回穿过样品流体。
本发明提供一种单晶片，其能够切割来形成多个光学元件，该元件适用于使用一种或多种频率的电磁辐射(EMR)的光学分析中。该晶片包含通道阵列，该通道典型的是彼此是相同形状和大小的。该通道是这样排列的，以使得在晶片切割之后，所形成的光学元件每个包含了具有开口的通道，待分析的样品能够供给到该开口中。该晶片包含这样的材料，该材料对于光学分析中所用的EMR辐射来说是至少部分透明的。每个元件中的通道是这样排列的，以使得引导穿过该EMR-透明材料的EMR能够照射通道中的样品。优选每个元件具有两个通道开口，来允许样品流体流过该元件。这降低了气泡形成的机会，并且还能够在所获得的连续流动的样品上进行分析。
在被从晶片上切割之前，每个光学元件的通道可以与相邻的光学元件的通道相互连接。备选地，每个光学元件的通道可以是独立的通道，其彼此不交叉。
通过根据本发明来生产晶片，多个光学元件可以容易的在单个初始制作步骤中产生，随后进行简单的切割程序。这提高了元件之间的一致性，例如在该晶片材料的光路长度和吸收率特性方面的一致性，这是因为全部的元件是由相同的晶片制成的，这使得在不同批次的晶片材料之间可能出现的差异变得最小。在一种实施方案中，在所述阵列中的通道的形状和/或尺寸可以是不同的，这样能够由该晶片来制作许多不同的光学元件，例如在它们被用于不同设备的场合。备选地，通道的形状和尺寸可以是相同的，来提供许多相同类型和高度一致性的光学元件。每个晶片可以提供大量的光学元件，典型的是10个或者更多。
在一种实施方案中，该晶片是由多个层组成的，该多个层优选是能够强的和有效的结合在一起，并且作为与样品接触的结果或者通过热诱导的膨胀或者收缩，其是抗分离的。
可以使用三个层，其中两个外层夹着一个内层，该内层包含多个通道。至少外层之一对于光学分析中所用的一种或多种波长的电磁辐射(EMR)来说是至少部分透明的。外层之一可以是反射性的，以使得透射过通道中的样品的辐射被反射回来，穿过该样品。这可以例如通过使用例如铝或者金的金属箔或者涂层来实现。通过引导入射的EMR这样穿过样品，以使得在反射时，反射光束不与入射光束重合，由此减少甚至消除了与例如标准具(etalon)干涉条纹相关的问题，这提高了光谱的质量。这典型的是如下来实现的：引导入射的EMR穿过该样品，并且以不与反射表面垂直的角度照射到该反射表面上。通过引导入射的EMR这样穿过样品，以使得在反射时，反射光束不与入射光束重合，由此减少甚至消除了与例如标准具(etalon)干涉条纹相关的问题，这提高了光谱的质量。这典型的是如下来实现的：引导入射的EMR穿过该样品，并且以不与反射表面垂直的角度照射到该反射表面上。
本发明的光学元件适于激光光谱技术，例如使用可调的二极管激光器的技术。激光光谱通常比非激光技术更精确和灵敏，并因此能够用于混合物中的稀释物质的检测和量化。但是，激光光谱非常容易形成标准具干涉条纹，因此本发明的光学元件会是特别有用的。
晶片和光学元件能够适于任何的EMR波长，例如近红外(NIR，包括4000cm-1-10000cm-1的频率)，中红外线(MIR，包括4000cm-1-180cm-1的频率)，或者UV/可见光波长(其包括200-800nm范围的波长)。何种分析是可行的将部分地取决于待分析的样品流体的性质和晶片材料的性质。
平版印刷技术例如化学或者激光平版印刷，可以用来生产晶片中的通道。结合(bonding)技术例如阳极结合(anodic bonding)或者使用粘接剂可以用于将晶片层结合在一起。使用何种技术将尤其取决于晶片材料的性质。
在一种优选的实施方案，晶片包含硅层，其能够容易地被切割或者使用平版印刷技术蚀刻至高精确度。硅晶片还可以制备成高的纯度和厚度，其相对于聚合物材料是有利的，例如，生产具有期望的一致性程度的聚合物材料是困难的和昂贵的。
适于与硅一起用在NIR元件中的NIR-透明材料是硅酸盐基玻璃，例如石英或者硼硅酸盐玻璃，例如PyrexTM。二氧化硅基材料，例如硼硅酸盐玻璃或者石英，能够阳极结合到硅上，来提供在所述层之间强的附着性。它们在热诱导膨胀或者收缩过程中还是抗降解的或者抗破裂的，这是通过两种材料低的和类似的热膨胀系数来进一步提高的。
常规的切割方法可以用来将晶片分割成多个光学元件。在例如用于烃类样品NIR测量的装置中可以使用由硼硅酸盐玻璃和硅制成的光学元件，并因此能够在分析来自多种与烃相关的工业中的样品中获得应用，特别是在原油的提取、配送和精炼中获得应用。例如，在石油钻塔或者油井处可以将便携式手持装置用于从油管或者从原油海洋油轮的油罐中提取的样品。它还可以用于分析炼油厂的样品，例如从原油储罐中提取的样品，从一种或多种精炼设备提取的样品，或者从燃料罐或者公路和铁路配送罐车提取的样品。
总之，本发明提供了一种生产大量的光学元件的低成本的方法，该光学元件在材料质量方面和在元件尺寸方面，特别是在光路长度方面是高度一致的。因为大量的光学元件能够同时的和以相对低的成本来进行生产，因此该光学元件在使用后能够便利的进行处理，这避免了在测量之间清洗元件的需要，并因此避免了污染任何随后分析的样品的任何风险。
现在将在后面参考附图，来说明本发明非限定性的实施例，其中；
图1是在切割成多个光学元件之前，具有多个通道的晶片的顶视图，光学元件之一被显示在插图中。
图2表示了由图1的晶片切割的光学元件的侧视图。
图3是一种晶片的顶视图，该晶片具有不同于图1所示的元件的通道结构，来自于其的一个光学元件被显示在插图中。
图4表示了由图3的晶片切割的光学元件的侧视图。
图5是带有图4所示的光学元件的小规模分析装置的俯视图。
图6是从图5的小规模分析装置下面观察的视图。
图7示意了近红外(NIR)辐射穿过光学元件的路径，该光学元件是由具有两个PyrexTM(硼硅酸盐玻璃)外层和一个硅内层的晶片制成。
图1表示了带有多个通道2的晶片1的顶视图，其中全部的通道是相同形状和大小的。栅格3表示了切割线，由该切割线来生产光学元件4。插图表示了单个的光学元件，在其中通道2具有两个开口端5和6，流体可以通过这两个开口端。通道的中心部分7具有比通道的开口5和6更大的横截面积，这增加了能够进入该通道的材料的量，目的是增加曝露于EMR的材料的量。在这个实施例中，光学元件的尺寸是10mm×5mm宽，在两个开口处的通道直径是0.5mm，中心部分7的宽度是1.5mm。具有通道8的晶片层的材料是硅，并且该晶片还包含了两个PyrexTM硼硅酸盐玻璃外层(未示出)。每个层的厚度是0.5mm，产生了1.5mm的总晶片厚度。
图2表示了由图1的晶片所生产的光学元件4的侧视图。表示了三个层，其中，中心硅层8夹入到两个硼硅酸盐玻璃外层9和10之间，表示了通道2的开口端5。
图3表示了一种晶片，其是以与图1的晶片相同的方式和相同的材料来生产的。但是，在这个实施例中，晶片1的硅层8中的通道2是U形的。当沿着栅格线3切割时，产生了带有U形通道的光学元件4。
图4表示了通道2的两个开口5和6，这两个开口都开在光学元件的同一侧，在这种实施例中，通道2整体都是相同的横截面积，宽度是2mm。元件厚度也是1.5mm，并且尺寸是10mm×12mm宽。
图5表示了一种聚合物的一次性的样品分析板30的俯视图，在其中可以将具有如图3所示的U形通道的整体光学元件(未示出)插入到凹进处31中。将来自样品库的样品流体例如原油经由入口管道35转移到微流体通道36中，并且穿过开口44，后者通到微流体通道38中(图6中所示)。溶剂例如甲苯也可以如下来供给到该样品板：通过入口管道32，进入到微流体通道33中，其通过开口45通到微流体通道41中(图6中所示)。
图6(其示意了图5所示的同样的样品板30在围绕着轴A-A′旋转180°之后的图)示意了当分别到达微流体通道38和41时，溶剂或者样品所采用的不同的路径。微型阀34和37的位置决定了溶剂和样品能够采用的路径。
微流体通道38连接这两个微型阀，并且为样品提供了直接转移到微流体通道39的路径，微流体通道39通到废物收集池中(未示出)，而不需穿过凹进处31中的光学元件(未示出)。溶剂也可以从微型阀34导入到微流体通道39中，并导入到废物池中，而不通过所述的元件。
在不同的位置中，微型阀34使得样品流体通过微流体通道38被导入到微型阀37中，微型阀37适于将样品流体引导通过微流体通道42，并且进入到光学元件中，该光学元件在交叉点46处连接到通道42。当微型阀34关闭通道40时，以及当微型通道40填充有样品流体或者溶剂时，离开该光学元件的样品流体在交叉点43处被导入到通道39中。
图7表示了在透射模式或者反射模式中，如何能够使用光学元件来收集吸光率数据。EMR(在这种情况中是NIR辐射20)是由源21发射的，并且任选的通过光纤导入到光学元件中。该NIR穿过第一NIR-透明的PyrexTM层9，并且穿过通道2中的流体样品22。穿过第二NIR-透明的PyrexTM层10的辐射23可以用探测器24来收集，其任选的是通过光纤导入到该探测器中的。备选地，所述元件可以在PyrexTM层10的一个表面上带有(adapted with)金镜涂层27。由镜面25反射的辐射返回穿过所述样品，穿过第一NIR-透明的PyrexTM层，并且由探测器26收集，其任选的是通过光纤从光学元件导入到该探测器中的。
能够用于本发明的光学元件的生产中的市售的硅晶片可以生产成不同的尺寸。一种合适的形式是直径为大约10cm的圆形晶片。对于这些实施例中所述的两个更大的光学元件来说，这允许由单个硅盘来生产大约80个光学元件，因此提供了一种成本有效的方式来生产众多的尺寸和质量一致的光学元件，该元件适用于小规模分析装置中。

Claims (21)

1.一种制备光学元件的方法，该方法包括将包含通道阵列的晶片切割为多个光学元件，每个光学元件具有带有开口的通道，样品流体可以供给到该开口中，该光学元件适用于使用一种或多种波长的电磁辐射(EMR)的光学分析中，并且其包含了这样的材料，该材料对于该光学分析中使用的EMR是至少部分透明的，该通道布置在每个光学元件中，以使得样品流体能够供给到其中，并且能够用引导穿过该至少部分透明材料的EMR进行照射，其中所述晶片和光学元件具有结合至一个或多个外层的内层，该内层包含了光学元件的通道，并且外层之一包含了反射表面，以使得当光学元件使用时，透射穿过通道中的样品流体的EMR从该反射表面上被反射，并且回穿过样品流体。
2.权利要求1所要求的方法，其中该晶片的至少一层是硅。
3.权利要求2所要求的方法，其中存在着硅内层和硼硅酸盐玻璃外层。
4.权利要求3所要求的方法，其中存在着夹入到两个硼硅酸盐玻璃层之间的硅层。
5.权利要求3或者权利要求4所要求的方法，其中通道处于硅层中。
6.权利要求1-4中任何一个所要求的方法，其中在阵列中全部的通道具有相同的形状和大小。
7.权利要求14中任何一个所要求的方法，其中每个光学元件包含具有两个开口的通道。
8.权利要求1-4中任何一个所要求的方法，其中由该晶片生产出10个或者更多个光学元件。
9.一种光学元件，其能够由权利要求1-8中任何一个所要求的方法来获得。
10.权利要求9所要求的光学元件，其中存在至通道的两个开口。
11.一种光学分析装置，其包含权利要求9或者权利要求10所要求的光学元件。
12.用于权利要求1-8中任一项所述方法的晶片，从该晶片能够生产所述多个光学元件，该晶片包含通道阵列和对于光学分析中使用的一种或多种波长的电磁辐射(EMR)是至少部分透明的材料，其中所述晶片具有结合至一个或多个外层的内层，该内层包含了所述通道，并且外层之一包含了反射表面。
13.一种生产权利要求12中所要求的晶片的方法，所述方法包含在所述内层中产生所述多个通道并将所述内层结合至所述一个或多个外层。
14.权利要求13所要求的方法，其中该晶片包含硅层和两个硼硅酸盐玻璃层，该通道是在硅层中产生的。
15.权利要求14所要求的方法，其中该硼硅酸盐玻璃层是通过阳极结合而结合到硅上的。
16.权利要求14或者权利要求15所要求的方法，其中使用平版印刷来产生该通道。
17.权利要求1所要求的方法，其还包含通过权利要求13-16中任何一个的方法来生产晶片。
18.一种分析样品流体的方法，其包含用一种或多种波长的电磁辐射(EMR)来照射光学元件中的样品流体，以使得透射过该样品流体的EMR被反射表面反射回来，穿过该样品流体，其中该光学元件是权利要求9或者权利要求10的光学元件。
19.权利要求18所要求的方法，其中该光学元件是权利要求11所要求的光学分析装置的一部分。
20.权利要求18或者权利要求19所要求的方法，其中该一种或多种波长的EMR是近红外辐射。
21.权利要求18或者权利要求19所要求的方法，其中入射的EMR处于与反射表面不垂直的角度。
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