CN106290251A - 一种可变形光栅传感器及含其传感器的装置与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可变形光栅传感器，包括一个光栅传感器和一个半球体流体腔，所述的光栅传感器集成在所述的半球体流体腔内，采用半球体流体室的目的是确保所有的衍射光束在液体中经过的距离相同，从而使得距离得到相等的衰减，并能确保衍射光束没有由于折射在液体聚合物界面发生偏转；通过该可变形光栅传感器可用于监测生物液体光学折射系数和监测生物液体压力变化。

Description

一种可变形光栅传感器及含其传感器的装置与应用
技术领域
本发明属于医学技术领域，尤其涉及一种二维衍射光栅传感器及含其二维衍射光栅传感器的装置用于监测生物液体的光学折射系数和压力变化。
背景技术
监测体液数据在医学的许多领域中有着重要的作用，比如诊断疾病。通过探测生物流体的物理性质我们可以获得丰富的信息，这些物理性质包括折射系数、密度、透明度、电导率和粘度。其中生物流体的折射系数(RI)有着十分特别的地位，因为我们从折射系数中可以获得许多信息，比如血糖水平和无标记分子相互作用。在最近几十年里，由于光学传感器精准度高、动态范围广、导电性、重复性、非侵入性的特点，产生了许多光学传感器用以测量液体和生物流体的数据变化。有许多就是专门测量折射系数，折射系数传感体系一般包括激光干涉法、毛细成像法、光子晶体法、表面等离子体共振法、光学纤维法以及衍射光栅法。
比如说透析过程，我们需要对血液进行监测，从而获得不同的血液数据，包括动脉压力与静脉压力、透析液及废液的浓度，这需要多方位的监测，由此需要庞大的设备以及昂贵的费用。由于生命体监测需要高灵敏度与精确度，光学传感器经常被用于实时测量液体特性，比如激光干涉仪可以用来测量折射率也可以用来测量葡萄糖溶液浓度；阶跃折射系数光纤可以用作液体的折射系数传感器；反向散射干涉仪可以用来检测溶液和无标记分子的相互作用；用透射和漫反射光谱法可以监测血液透析全血情况。
上述介绍的诸多监测方法中，大部分都仅能测量折射率，并且需要有精密的设备，包括镜头、分束器、光谱仪等，即使存在一些可以同时测量包括折射系数、吸收、温度等几个参数的例子，它们都需要复杂的设置，并且不同的参数需要使用不同的传感方案。
可以同时监测生物流体的多种数据这在当今的大数据环境下有着十分重要的意义。比如，当一个人丧失了肾脏功能，在医学上会对其进行血液透析。透析主要用在为其去除血液中废物以及过剩的水分。在透析中，血液的多种性质，包括压力、透析液和废液的浓度都需要不断的监测。脉搏血氧仪监测不透明度从而监测血红蛋白或血液中氧含量水平。目前没有一个装置可以做到同时监测多种数据。因此，当一个设备需要包含多种监测仪器比如动脉静脉压力监测器、体温监测仪、透析液的PH探测仪时，就会变得十分笨重、昂贵。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种可变形光栅传感器，通过该传感器可以同时监测生物液体的多种数据，比如能监测其光学折射系数和压力。
为实现发明目的，本发明采取如下的技术方案：
一种可变形光栅传感器，包括一个光栅传感器和一个半球体流体腔，所述的光栅传感器集成在所述的半球体流体腔内，采用半球体流体室的目的是确保所有的衍射光束在液体中经过的距离相同，从而使得距离得到相等的衰减，并能确保衍射光束没有由于折射在液体聚合物界面发生偏转。
作为优选，所述的半球体流体腔设置在基板上，在所述的半球体流体腔的底面边缘设有的两个互通的通道，一个为液体入口通道，一个为液体出口通道，所述的光栅传感器位于半球体流体腔底面的中间位置。
作为优选，所述的光栅传感器的光栅、半球体流体腔、两个通道及基板的材质均为弹性聚合物，光栅传感器的光栅为金字塔形二维光栅。
作为优选，所述的金字塔边长为0.5-3微米，高度为0.5-1.0微米，相邻金字塔中心距离为1-3微米。
作为优选，所述的弹性聚合物为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，其在紫外-可见光300–800nm下是透明的。
作为优选，所述的光栅传感器的光栅薄膜的厚度为0.1±0.01mm。
作为优选，所述光栅传感器的光栅、半球体流体腔及基板的材质还含有固化剂，所述的聚二甲基硅氧烷(PDMS)和固化剂的重量比为15～25：1，加入固化剂可以变得柔软，固化剂为市售品。
作为优选，所述的两个通道的材质还含有固化剂，所述的聚二甲基硅氧烷(PDMS)和固化剂，其重量比为3-8：1。
本发明的可变形光栅传感器的理论基础是光栅的衍射图普，所述的可变形光栅传感器，采用弹性材料制成，将其作为微传感器的好处在于其灵敏性高、空间的分辨率高、可靠性高、成本低廉及制作方法简单。
本发明的另一目的在于提供一种监测生物液体光学折射系数的装置，采取如下的技术方案：
一种监测生物液体光学折射系数的装置，包括如上所述的可变形光栅传感器，半导体光激射器，正向光衍射屏和光电探测器，放置位置依次为半导体光激射器、可变形光栅传感器、光电探测器和正向光衍射屏。
作为优选，所述的半导体光激射器发射出一道4mw功率、633nm波长的光束。
作为优选，所述的半导体光激射器发射的光束对准光电探测器的中心。
作为优选，所述的可变形光栅传感器与正向光衍射屏相距16cm。
本发明的另一目的在于提供一种监测生物液体光学折射系数的方法，采取如下的技术方案：
一种监测生物液体光学折射系数的方法，包括如下步骤：
1.采用如上所述的监测生物液体光学折射系数的装置，往可变形光栅传感器内的半球体腔体内注入待监测生物液体；
2.将激光光束击中光栅传感器，在不同的方向上被光栅衍射，在屏幕上形成衍射图谱，根据一维光栅传感器衍射等式：
ndsin(θm)＝mλ (1)
等式1中，通过激光波长λ，光栅系数d，以及衍射级m，散射角θm通过图谱可以测量得到，这样我们就可以计算得到待监测生物液体的光学折射系数n。
本发明的另一目的在于利用监测生物液体光学折射系数的装置用于实时监测输液中药物浓度的均一性。其实也就是通过监测生物液体的光学折射系数，如果这个系数不发生变化，那么说明该生物液体的浓度是均一的。
本发明的另一目的在于提供一种监测生物液体压力变化的装置，采取如下的技术方案：
一种监测生物液体压力变化的装置，包括可变形光栅传感器，半导体光激射器，反向光衍射屏，光电探测器，注射器，压力传感器和废物处理容器，所述的半导体光激射器位于反向光衍射屏的前方，反向光衍射屏后方为可变形光栅传感器，可变形光栅传感器和反向光衍射屏之间设有光电探测器，注射器通过皮管连接压力传感器，压力传感器通过皮管连接到可变形光栅传感器的入口通道，可变形光栅传感器的出口通道通过皮管连接到废物处理容器。
作为优选，所述的半导体光激射器发射出一道4mw功率、633nm波长的光束。
作为优选，所述的半导体光激射器发射的光束对准光电探测器的中心。
作为优选，所述可变形光栅传感器与反向光衍射屏相距19.5cm。
作为优选，所述的光电探测器为光敏二极管。
本发明的另一目的在于提供一种监测生物液体压力变化的方法，采取如下的技术方案：
一种监测生物液体压力变化的方法，包括如下的步骤：
1.采用如上所述的监测生物液体压力变化的装置，往可变形光栅传感器内的半球体腔体内注入待监测的生物液体；
2.将激光光束穿过屏幕中央的小孔发生后向衍射之后，击中光栅传感器发生了反向衍射，记录得到反向衍射图谱，当光栅传感器受到液体压力变形发生弯曲，衍射图案就会发生变化，说明待监测的生物液体的压力也发生了变化；
当然，如果我们要计算压力，也可以根据压力传感器测量到的液体压力与衍射图案变化对比起来分析得出标定规律；根据受压变形前的长度是S0,变形后的长度是S,它们之间的差再加上已知材料的杨氏模量就可以算出压力的大小。
计算s的公式是
s = R φ = R cos - 1 ( 1 - 2 r o 2 R 2 )
本发明的另一目的在于利用监测生物液体压力变化的装置，用于实时监测输液、透析中药物压力的变化来确保输液和透析的速度的恒定性。其实也就是通过监测生物液体的压力变化，如果压力不发生变化，那么说明速度是恒定新。
本发明关于监测生物液体的折射系数和流体压力是基于衍射图谱的多功能的可变形光栅传感器。该可变形光栅传感器普遍用于光电检测，使用本发明的可变形光栅传感器作为微传感器的好处在于其灵敏性高、分辨率高、可靠性强、成本低廉和制作简单。本发明是一款以光学衍射图谱为基础的适应于临床运用的多功能、便利、低成本的可变形光栅传感器；二维光栅传感器使用了弹性聚合物进行复制金字塔阵列制作而成，它的形状、大小以及衍射强度可以为我们提供一些信息，包括折射系数和局部压力，这种光学传感器便于制造，并且成本低，对于生物液体，比如血液可以做到高精度的实时监测。
附图说明
图1是本发明的可变形光栅传感器的结构示意图；
其中，1.金字塔形光栅传感器，2.半球体流体腔，3.液体入口通道，4.液体出口通道，5.基板；
图2是本发明的监测生物液体光学折射系数的装置的结构示意图；
其中，1.半导体光激射器，2.可变形光栅传感器，3.光电探测器，4.正向光衍射屏；
图3是本发明的监测生物液体压力变化的装置的结构示意图；
其中，1.半导体光激射器，2.可变形光栅传感器，3.反向光衍射屏，4.光电探测器，5.注射器，6.压力传感器，7.废物处理容器；
图4是实施例2对不同介质(空气、水、10％、20％、30％、40％的葡萄糖水溶液)得到的正向衍射图谱；
图5是根据图4说计算出来的衍射角图；
图6是实施例2用硅光电探测器测量出来的平均功率衍射级10、11下的平均衍射功率图。
图7是实施例3采用商用流体传感器(A)和可变形光栅传感器(B)在90s内的液体压力监测数据图，虚线表示当压力变化巨大时；
图8是实施例4通过本发明的可变形光栅传感器通过测量功率监测BSA和IgG的结合，虚线表示BSA与IgG液体混合的时候。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1所示的一种可变形光栅传感器，包括一个光栅传感器1和一个半球体流体腔2，所述的光栅传感器1集成在所述的半球体流体腔2内，采用半球体流体室的目的是确保所有的衍射光束在液体中经过的距离相同，从而使得距离得到相等的衰减，并能确保衍射光束没有由于折射在液体聚合物界面发生偏转；所述的半球体流体腔设置在基板5上，在所述的半球体流体腔的底面边缘设有的两个互通的通道，一个为液体入口通道3，一个为液体出口通道4，所述的光栅传感器1位于半球体流体腔底面的中间位置，所述的光栅传感器的光栅、半球体流体腔、两个通道及基板的材质均为弹性聚合物，光栅传感器的光栅为金字塔形二维光栅。
所述的金字塔边长为0.5-3微米，高度为0.5-1.0微米，相邻金字塔中心距离为1-3微米。
所述的弹性聚合物为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，其在紫外-可见光300–800nm下是透明的。所述的光栅传感器的光栅薄膜的厚度为0.1±0.01mm。
所述光栅传感器的光栅、半球体流体腔及基板的材质还含有固化剂，所述的聚二甲基硅氧烷(PDMS)和固化剂的重量比为15～25：1，加入固化剂可以变得柔软，固化剂为市售品。
所述的两个通道的材质还含有固化剂，所述的聚二甲基硅氧烷(PDMS)和固化剂，其重量比为3-8：1。
实施例2
如图2所示的一种监测生物液体光学折射系数的装置，包括实施例1的可变形光栅传感器2，半导体光激射器1，光电探测器3和正向光衍射屏4，放置位置依次为半导体光激射器1，可变形光栅传感器2，光电探测器3和正向光衍射屏4，所述的半导体光激射器发射出一道4mw功率、633nm波长的光束；所述的半导体光激射器发射的光束对准光电探测器的中心；所述的可变形光栅传感器与正向光衍射屏相距16cm。
一种监测生物液体光学折射系数的方法，包括如下步骤：
1.采用如上所述的监测生物液体光学折射系数的装置，往可变形光栅传感器内的半球体 腔体内注入待监测生物液体；
2.将激光光束击中光栅传感器，在不同的方向上被光栅衍射，在屏幕上形成衍射图谱，根据一维光栅传感器衍射等式：
ndsin(θm)＝mλ (1)
等式1中，通过激光波长λ，光栅系数d，以及衍射级m，散射角θm通过图谱可以测量得到，这样我们就可以计算得到待监测生物液体的光学折射系数n。
我们先确定光栅的折射系数为1.4，如果液体的n值超过1.38的话，衍射图谱会变得无法看清，这样敏感度也会下降。
为了论证对生物液体折射系数的测量，我们准备了不同浓度的葡萄糖溶液。折射系数可以在Handbook of Chemistry and Physics中查出，见表1。
葡萄糖浓度 n(RI) 衍射级00功率 衍射级11功率 衍射级10功率 衍射级11的衍射角
空气 1 0.9mW 33.78μW 168.3μW 28.3o
0％ 1.333 2.582mW 2.95μW 11.68μW 21.2o
10％ 1.348 2.81mW 2.13μW 7.8μW 20.8o
20％ 1.364 2.78mW 1.36μW 4.57μW 20.2o
30％ 1.381 2.67mW 0.93μW 2.71μW 19.4o
40％ 1.4 2.5mW \ \ \
50％ 1.42 2.5mW \ \ \
按照上述的监测生物液体光学折射系数的方法，分别对空气、水、10％、20％、30％、40％的葡萄糖水溶液进行检测。
通过衍射角和衍射功率两个参数来测量折射系数。图4是实施例2对不同介质(空气、水、10％、20％、30％、40％的葡萄糖水溶液)得到的正向衍射图谱；图5是根据图4说计算出来的衍射角图；图6是实施例2用硅光电探测器测量出来的平均功率衍射级10、11下的平均衍射功率图。
从图5和图6中得到数据与表1是吻合的，所以本发明的监测生物液体光学折射系数的装置可用于监测生物液体光学折射系数。
实施例3
如图3所示的监测生物液体压力变化的装置，包括可变形光栅传感器2，半导体光激射器1，反向光衍射屏3，光电探测器4，注射器5，压力传感器6和废物处理容器7，所述的半导体光激射器1位于反向光衍射屏3的前方，反向光衍射屏3后方为可变形光栅传感器2，可变形光栅传感器2和反向光衍射屏3之间设有光电探测器4，注射器5通过皮管连接压力传感器6，压力传感器6通过皮管连接到可变形光栅传感器2的入口通道，可变形光栅传感器2的出口通道通过皮管连接到废物处理容器7；所述的半导体光激射器发射出一道4mw功率、633nm波长的光束；所述的半导体光激射器发射的光束对准光电探测器的中心；所述可变形光栅传感器与反向光衍射屏相距19.5cm；所述的光电探测器为光敏二极管。
一种监测生物液体压力变化的方法，包括如下的步骤：
1.采用如上所述的监测生物液体压力变化的装置，往可变形光栅传感器内的半球体腔体内注入待监测的生物液体；
2.将激光光束穿过屏幕中央的小孔发生后向衍射之后，击中光栅传感器发生了反向衍射，记录得到反向衍射图谱，当光栅传感器受到液体压力变形发生弯曲，衍射图案就会发生变化，说明待监测的生物液体的压力也发生了变化；
当然，如果我们要计算压力，也可以根据压力传感器测量到的液体压力与衍射图案变化对比起来分析得出标定规律；根据受压变形前的长度是S0,变形后的长度是S,它们之间的差再加上已知材料的杨氏模量就可以算出压力的大小。
为了验证监测生物液体压力变化，本实施例采用推拉注射器的方式来制造压力变化。商用压力传感器测量的压力变化的电压灵敏度16.7mV/psi，我们将其与可变形光栅传感器2进行对比。可变形光栅传感器2测量压力时，我们在反向衍射屏前放置了一个光敏二极管，用来测量衍射级10的光束功率。功率是由Thorlabs PM130D测量，功率计由LabVIEW程序控制在抽样功率5hz。当压力变化时，光栅薄膜就会发生形变，从而衍射光线发生变化。这样可以十分灵敏地监测到微小的压力变化。图7商用流体传感器(A)和可变形光栅传感器(B)在90s内的液体压力监测数据的对比图，其中液体为水。
在15s、25s、52s、76s左右的回落是由于巨大的压力变化(>1.5psi)，55s至75s的波动是由于我们人为制造的微小压力波动(<0.5psi)。我们可以看出本发明的可变形光栅传感器在压力变化时会产生更为明显的变化，特别是微小的压力波动，灵敏度大概在5μW/psi。但是当发生较大幅度的压力变化时，EGS传感器立马就掉至零超出了测量范围。由此可知，EGS传感器更有利于测量微小的压力变化。
实施例4
根据实施例3的监测生物液体压力变化的方法，这次我们用本发明的可变形光栅传感器检测生物体液，我们进行自由溶液蛋白抗原和抗体结合。自由溶液的意思是结合反应发生在流体内而非表面，所以没有表面反应。我们准备了牛血清蛋白(BSA)和抗牛血清蛋白免疫 球蛋白G(IgG)，浓度都为10μM。两者都是从Sigma-Aldrich购买。我们使用两个注射器，一个用于BSA，一个用于IgG，两个注射器用Y连接器连接。两者的结合反应会在流体进入EGS的半球体腔前发生。我们假设这个反应会改变流体的折射系数和不透明度，因此正向衍射可以用来监测反应的发生。
我们使用光电探测器来测量衍射级10光束的功率变化。实验在37摄氏度(最佳结合温度)下进行。图8显示功率在结合前后的变化情况。结合发生在60s左右的时候，我们可以看到衍射级10的光束功率有一个急速的下降，从12.7μW到12μW，之后功率趋于稳定，这表明流体的折射系数呈现出一种新的稳定的状态。

Claims (10)

1.一种可变形光栅传感器，其特征在于包括一个光栅传感器和一个半球体流体腔，所述的光栅传感器集成在所述的半球体流体腔内。
2.根据权利要求1所述的一种可变形光栅传感器，其特征在于所述的半球体流体腔设置在基板上，在所述的半球体流体腔的底面边缘设有的两个互通的通道，一个为液体入口通道，一个为液体出口通道，所述的光栅传感器位于半球体流体腔底面的中间位置。
3.根据权利要求1所述的一种可变形光栅传感器，其特征在于所述的光栅传感器的光栅、半球体流体腔、两个通道及基板的材质均为弹性聚合物，光栅传感器的光栅为金字塔形二维光栅。
4.根据权利要求1所述的一种可变形光栅传感器，其特征在于所述光栅传感器的光栅、半球体流体腔及基板的材质还含有固化剂，所述的聚二甲基硅氧烷(PDMS)和固化剂的重量比为15～25：1，所述的两个通道的材质还含有固化剂，所述的聚二甲基硅氧烷(PDMS)和固化剂，其重量比为3-8：1。
5.一种测量生物液体光学折射系数的装置，其特征在于包括如权利要求1至4任一所述的可变形光栅传感器，半导体光激射器，正向光衍射屏和光电探测器，放置位置依次为半导体光激射器、可变形光栅传感器、光电探测器和正向光衍射屏。
6.一种测量生物液体光学折射系数的方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）.采用如权利要求5所述的测量生物液体光学折射系数的装置，往可变形光栅传感器内的半球体腔体内注入待测生物液体；
（2）.将激光光束穿过屏幕中央的小孔发生后向衍射之后，击中光栅传感器发生了正向和反向衍射，记录得到衍射图谱，根据一维光栅传感器衍射等式：
ndsin(θm)＝mλ (1)
等式1中，通过激光波长λ，光栅系数d，以及衍射级m，散射角θm通过图谱可以测量得到，这样我们就可以计算得到待测生物液体的光学折射系数n。
7.如权利要求5所述的测量生物液体光学折射系数的装置在实时监测输液中药物浓度的均一性中的应用。
8.一种监测生物液体压力变化的装置，其特征在于包括可变形光栅传感器，半导体光激射器，反向光衍射屏，光电探测器，注射器，压力传感器和废物处理容器，所述的半导体光激射器位于反向光衍射屏的前方，反向光衍射屏后方为可变形光 栅传感器，可变形光栅传感器和反向光衍射屏之间设有光电探测器，注射器通过皮管连接压力传感器，压力传感器通过皮管连接到可变形光栅传感器的入口通道，可变形光栅传感器的出口通道通过皮管连接到废物处理容器。
9.一种监测生物液体压力变化的方法，包括如下的步骤：
（1）.采用如权利要求8所述的监测生物液体压力变化的装置，往可变形光栅传感器内的半球体腔体内注入待监测的生物液体；
（2）.将激光光束穿过屏幕中央的小孔发生后向衍射之后，击中光栅传感器发生了反向衍射，记录得到反向衍射图谱，当光栅传感器受到液体压力变形发生弯曲，衍射图案就会发生变化，说明待监测的生物液体的压力也发生了变化。
10.如权利要求8所述的一种监测生物液体压力变化的装置在实时监测输液、透析中药物速度恒定性中的应用。
CN201610630580.1A 2016-08-03 2016-08-03 一种可变形光栅传感器及含其传感器的装置与应用 Withdrawn CN106290251A (zh)

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