CN108885176A - 具有纳米多孔表面层的波导传感器 - Google Patents

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Abstract

提供了波导传感器系统。系统包括光源和由透光材料形成的波导。来自光源的光在输入区域进入波导，并通过总内反射在波导内传播到分析物区域，以及待分析的光在波导内通过总内反射从分析物区域传播到输出区域。光学传感器与输入区域耦合，并且构造成与待分析的光发生相互作用。系统包括多个孔，所述多个孔位于沿着分析物区域内的外表面并且形成在波导的透光材料中，以及孔构造成增强光与分析物区域中的分析物的相互作用。

Description

具有纳米多孔表面层的波导传感器
本申请根据35 U.S.C.§120要求2016年04月07日提交的美国申请系列第15/093,163号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。
背景技术
本公开一般地涉及传感器领域，具体地，涉及在分析物相互作用区域中采用具有多孔表面的波导的传感器。通常来说，可以通过测量光的属性(例如，强度或波长)来检测化学或分析物的量或类型，所述光与分析物或相关的检测化学品发生相互作用或者从分析物或相关的检测化学品发射出来。然后将测得的光属性与分析物的性质(例如，材料类型、特定材料的量或浓度等)相关联，从而可以测得分析物的性质。
发明内容
本发明的一个实施方式涉及波导光学传感系统。系统包括：光源和波导，所述光源构造成产生具有波长的光，以及所述波导是由透光材料形成的。波导具有输入区域、输出区域、外表面和位于沿着外表面的分析物区域。来自光源的光在输入区域进入波导，并通过总内反射在波导内传播到分析物区域，以及待分析的光在波导内通过总内反射从分析物区域传播到输出区域。系统包括：与输出区域耦合的光学传感器，以及光学传感器构造成与待分析的光相互作用，并且构造成产生与待分析的光的性质相关的信号。系统包括多个孔，所述多个孔位于沿着分析物区域内的外表面并且形成在波导的透光材料中。孔具有平均孔宽度，其中，所述平均孔宽度小于30％的所述波长。
本公开的另一个实施方式涉及玻璃传感器系统，其包括玻璃材料片，所述玻璃材料片包括第一主表面和位于沿着第一主表面的多孔区域。系统包括将光引导入玻璃材料片的第一区域中的光源，从而光在玻璃材料片中通过总内反射传播到光与分析物发生相互作用的多孔区域。系统包括耦合到玻璃材料片的第二区域的光敏装置，以及光敏装置与通过总内反射从多孔区域传播到第二区域的光发生相互作用。光敏装置构造成产生与光敏装置发生相互作用的光的性质相关的信号。多孔区域包括形成在玻璃材料中的多个孔，以及孔具有小于100nm的平均孔宽度。
本公开的另一个实施方式涉及构造成用作传感系统一部分的传感器波导。传感器波导包括透光材料片，其包括第一主表面、与第一主表面相对的第二主表面、以及位于沿着第一主表面上的分析物接触区域。传感器波导包括形成在分析物接触区域内的透光材料中的多个孔，以及孔具有小于100nm的平均孔宽度。传感器波导包括被分析物接触区域内的第一主表面支撑的分析物响应材料层，以及至少一些分析物响应材料位于所述多个孔内。
在以下的详细描述中给出了其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域技术人员而言是容易理解的，或通过实施文字描述和其权利要求书以及附图中所述实施方式而被认识。
应理解，上面的一般性描述和下面的详细描述都仅仅是示例性的，用来提供理解权利要求书的性质和特点的总体评述或框架。
所附附图提供了进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图说明了一个或多个实施方式，并与说明书一起用来解释各种实施方式的原理和操作。
附图说明
图1显示根据一个示例性实施方式的玻璃波导传感器的分解视图。
图2是根据另一个示例性实施方式的图1的玻璃波导传感器的侧视示意图。
图3是根据一个示例性实施方式的玻璃波导传感器的分析物区域的横截面细节图。
图4是根据一个示例性实施方式的玻璃波导传感器的多孔表面的显微镜图像。
图5是根据另一个示例性实施方式的玻璃波导传感器的俯视图。
图6A和6B显示采用根据示例性实施方式的玻璃波导传感器检测到的存在不同水平的氧情况下的淬冷程度。
具体实施方式
一般地参见附图，显示了采用波导作为其光学系统一部分的传感系统的各种实施方式。通常来说，传感系统包括光源(例如，LED)，所述光源使得光发射进入波导，光在波导内经由总内反射传播，到达位于波导的至少一个表面上的分析物区域。光与分析物发生相互作用，例如，通过分析物响应材料直接或间接进行，产生待分析的光。待分析的光经由总内反射从分析物区域传播到光学传感器(例如，CCD、光电二极管等)，其产生与待分析的光的性质(例如，强度、波长等)相关的信号。
在本文所述的实施方式中，波导包括多个孔(例如，纳米孔)，所述多个孔位于沿着分析物区域内的波导表面。在本文所述的各种实施方式中，对孔的尺寸(例如，深度、宽度、直径等)或形状进行调节，以促进/改善基于波导的传感器的功能。例如，相信孔增加了分析物区域内的表面积，这进而增加了可用于波导内的光与分析物或分析物响应材料发生相互作用的区域。此外，在采用涂覆在波导的外表面上的分析物响应材料的实施方式中，孔增加了可用于支撑分析物反应性材料的表面积以及增加了暴露从而与分析物发生相互作用的分析物材料的比例(至少相比于没有孔的表面而已)。相信通过本文所述的多孔表面所提供的增加的表面积和光相互作用增加了本文所述的波导传感器的灵敏度。
虽然孔尺寸调节至足够大到提供上文所述的表面积和光相互作用的益处，但是本文所述的孔尺寸调节至足够小到允许透光组件起到波导的功能。在各种实施方式中，相对于来自光源的光的波长，对孔尺寸进行调节，从而允许光在透光材料中通过总内反射进行高效传播。在各种实施方式中，透光材料可以是玻璃、陶瓷、塑料等，它们允许通过总内反射传递光。例如，在各种实施方式中，孔尺寸进行调节，从而孔的直径和/或深度小于来自光源的光的波长和/或小于待分析的光的波长。申请人发现，通过如本文所述将孔尺寸调节至小于玻璃波导内的光的波长，可以降低/消除沿波导表面的光的散射量和/或退耦量，实现玻璃有效地起到波导作用。因此，申请人开发了一种用于多孔表面波导的设计，其达到了提供孔实现玻璃有效地起到波导作用同时提供上文所述的表面积和光相互作用益处之间的平衡。
此外，在各种实施方式中，本文所述的基于波导的传感器系统的孔是在波导表面上直接形成在玻璃材料中的，而不是包含施加到波导的玻璃表面上的单独的多孔外层(例如，阳极氧化铝)。因此，本文所述的基于波导的传感器系统提供了单体式波导布置，其中，波导内的光能够直接与分析物或者分析物响应材料发生相互作用，不需要传输进入单独的多孔外涂层或者与单独的多孔外涂层发生相互作用。在至少一些实施方式中，相信这种单体式布置提供了改进的光-分析物相互作用，这进而改善了传感器性能，同时提供了牢固且热稳定的结构，消除了涂层可能存在的问题。此外，本文所述的单体式布置消除了与在玻璃上沉积额外涂层通常相关的工艺复杂性。
参见图1，显示根据一个示例性实施方式的波导光学传感系统(例如，基于波导的玻璃传感器系统10)。传感器系统10包括由透光材料形成的波导(显示为玻璃片12)。在其他实施方式中，透光材料可以是任意合适的波导材料，包括允许通过总内反射传递光的陶瓷、塑料等。如下文更详细所述，玻璃片12起到引导并容纳在传感器系统10的各个组件之间传播的光的路径的功能。
传感器系统10包括光源14，其引导光进入玻璃片12(图示显示为箭头标记16)。在各种实施方式中，光源14可以是宽谱光源，例如白光LED，以及在其他实施方式中，光源14可以是产生特定光谱用于特定应用的窄谱光源，例如蓝光LED。会理解的是，在一些实施方式中，基于检测/与所需的分析物进行相互作用和/或与特定的分析物响应材料进行相互作用的适宜性，对通过光源14产生的光的波长进行选择。在图1中，显示光源14与玻璃片12分开，从而更好地显示传感系统10的组件，但是在示例性实施方式中，光源14与玻璃片12紧密毗邻或者发生接触，从而增加光源14产生的光被玻璃片12接收的比例。在一些实施方式中，光源14与玻璃片12粘结(或者任意其他方式紧密接触)，从而来自光源14的光被耦合进入玻璃片，以及在此类实施方式中，没有采用光耦合结构(例如，棱镜耦合器、散射材料等)将光耦合入玻璃中。但是，在一些其他实施方式中，玻璃片12可以包括一个或多个光耦合结构(例如，棱镜耦合器、散射材料等)，其有助于将来自光源14的光耦合入玻璃片12中。
在所示的实施方式中，传感器系统10包括分析物区域18，其可以支撑或者任意其他方式与待分析材料(显示为分析物20)接触。通常来说，在玻璃片12中传播的光16经由总内反射从光源14到达分析物区域18，在这里，光16与分析物20(直接或间接)相互作用，导致待分析的光的产出、生产、产生或者交替，如图显示为箭头标记22。在至少一些实施方式中，通过采用玻璃片12作为波导，通过光在波导内传播时发生的多次反射，增加了光与系统和分析物之间的相互作用。如图1的实施方式所示，分析物区域18展现了一部分，小于玻璃片12的上表面的整个面积。
通常来说，待分析的光22在玻璃片12中经由总内反射传播到光学检测器或者传感器(显示为光电二极管24)。会理解的是，光电二极管24是与待分析的光22发生相互作用并且产生与待分析的光22的性质(例如，强度、波长等)相关的信号26(例如，电信号)。应理解的是，在各种实施方式中，传感器系统10的光敏装置可以包括任意合适的光敏装置，包括电荷耦合器件(CCD)、光电二极管、光电二极管阵列、光电导体、光电晶体管、光电倍增管等。
通过加工电路(例如，处理器30)接收并加工信号26。通常来说，处理器30构造成具有硬件和/或软件，用于接收信号26并且用于对信号26进行加工，以确定分析物20的一个或多个特性(例如，存在与否、量、浓度、类型等)。在各种实施方式中，处理器30可以包括种类繁多的硬件和/或软件，来接收和加工信号26。例如，在一些实施方式中，数据取得和加工包括当打开光源14时，对来自光电二极管24的所得到的光电流进行DC测量。在其他实施方式中，数据取得和加工包括各种调制方法，其能够实现具有干扰(例如，环境光)抑制的相移测量或低信号测量。在各种实施方式中，处理器30可以是便携式通用目的计算装置(例如，智能手机、平板、智能手表、智能眼镜、笔记本等)的处理器。在其他实施方式中，处理器30可以是专用传感器系统的专用处理器(例如，专用处理器、微处理器、ASIC等)。通常来说，传感器系统10可以是种类繁多的各种传感系统，其构造成对种类繁多的各种分析物进行测量、检测、或监测。例如，传感器系统10可以构造成对各种气体、化学品、液体、生物标记物等进行测量、检测、或监测。此外，在一些实施方式中，传感器系统10可以包括多个分析物区域18，每个构造成对不同分析物和/或相同分析物的不同性质进行检测或测量。在一些此类实施方式中，不同的分析物区域18中的每一个可以包括不同的分析物响应材料，用于与所需的分析物发生相互作用。在其他实施方式中，系统10可以构造成用于其他光分析应用，例如，分光光度计应用。
参见图2，显示根据一个示例性实施方式的传感器系统10的侧视图。玻璃片12包括第一主表面(显示为上表面32)和第二主表面(显示为下表面34)。如图2示意性所示，光16和光22经由总内反射在玻璃片12的厚度中传播。在这种布置中，分析物区域18位于上表面32上或者形成在上表面32中，并且光源14和光电二极管24都位于沿着下表面34或者由下表面34支撑。在所示的实施方式中，光源14与下表面34接触，从而允许光16有效地进入玻璃片12，以及光电二极管24位于沿着下表面34，从而光能够离开玻璃片12与光电二极管24发生相互作用。此外，在这种布置中，分析物区域18位于光源14与光电二极管24之间，具体来说，光源14与光电二极管24位于沿着玻璃片12的相对边缘。
如上文所述，玻璃片12起到光学波导的作用，从而在传感器系统10的不同组件之间经由总内反射承载光。因此，在这种布置中，玻璃片12具有输入区域36(光源14位于该位置)和输出区域38(光电二极管24位于该位置)。因此，在这种布置中，玻璃片12起到波导的作用，在玻璃片12中承载光16，从输入区域36到分析物区域18。在分析物区域18，玻璃片12中的光16与上表面32上的分析物20(直接或间接)相互作用(例如，通过渐逝光相互作用，通过折射率匹配导致的光学耦合，当分析物20是液体时通过临界角变化，吸收，光致发光等)，得到待分析的光22。玻璃片12还起到波导的作用，将待分析的光22朝向输出区域38引导，在该位置，光22与光电二极管24发生相互作用。
在一些实施方式中，玻璃片12整体起到波导的作用。在一些其他实施方式中，玻璃片12整体可能不起到波导的作用，但是可包括波导区段或嵌入式波导。例如，本文所述的玻璃波导可以是玻璃片12中激光写入的波导区段和/或嵌入玻璃片12中的离子交换波导。
此外，在如图2所示的一些实施方式中，分析物区域18占据了表面32的整个面积，以及在其他实施方式中，分析物区域18占据小于表面32的整个面积。玻璃片12包括上表面32与下表面34之间的厚度T1。在具体实施方式中，T1是20微米至4毫米，具体来说，是20微米至2毫米。在所示的实施方式中，(除了本文所述的孔之外的)表面32与表面34是基本平坦的平行表面，以及在其他实施方式中，表面32和/或表面34可以是凸的或者凹的弯曲表面，可以相对于彼此呈角度，或者可以包括其他复杂曲面或形状。
参见图3，显示了分析物区域18的横截面示意图。玻璃片12包括多个孔40，其形成在玻璃材料片12中并且位置是沿着外表面32在分析物区域18中。如图3所示，孔40可以是井、内陷、通道、凹陷等，沿着玻璃片12的外表面32形成。通常来说，孔40的尺寸调节和/或沿着表面32的位置的方式是增加或改善了玻璃片12中传播的光与分析物发生相互作用的能力，同时允许玻璃片12起到波导的作用。还应理解的是，虽然出于方便显示的目的，图3的示意图显示孔40是基本一致的井状结构，但是孔40可以是位于与玻璃片12的一个或多个表面相邻的孔的相互连接的海绵状三维网络，如图4所示。具体来说，相信(相比于非多孔平坦表面)孔40增加了表面32的面积，所述表面32提供了玻璃片12中的光与分析物之间的相互作用界面，并且相信通过增加这种相互作用界面的面积，传感器系统10提供了更为灵敏和/或更为准确的感应分析物区域18中的分析物的能力。除此之外，不同于利用施涂到玻璃或陶瓷材料上的多孔涂层(例如，多孔阳极氧化铝涂层)的一些材料，孔40以单体式结构提供了增加的光/分析物相互作用面积，而不需要单独额外的层。申请人还相信，本文所述的单体式构造和孔布置提供了热稳定的传感器系统，使其用于薄装置应用和/或使其用于多元检测材料。
在各种实施方式中，具体来说，孔40的尺寸调节至足够大到提供这种增加的光/分析物相互作用区域，同时尺寸调节至相对于来自光源14的光16的波长和/或相对于待分析的光的波长是限制或防止散射或退耦的，否则的话可能沿着多孔波导表面发生所述散射或退耦。在各种实施方式中，孔40具有平均孔宽度(如W1所代表)和平均孔深度(如D1所代表)。通常来说，平均孔宽度W1是分析物区域18的孔40垂直于玻璃片12的厚度的尺度，以及在孔40是基本圆形横截面的实施方式中，W1代表平均直径。通常来说，平均孔深度D1是分析物区域18的孔40平行于玻璃片12的厚度的孔的平均尺度。
在各种实施方式中，W1小于光16的波长和/或光22的波长的30％，具体来说，小于光16的波长和/或光22的波长的10％，以及更具体来说，是光16的波长和/或光22的波长的1％至9％。在一些此类实施方式中，W1还可以大于光16的波长和/或光22的波长的0.1％，以及更具体来说，大于1％。在具体实施方式中，W1大于光16的波长和/或光22的波长的4％且小于6％，以及具体来说，W1是光16的波长和/或光22的波长的约5％(例如，5％加减10％)。在各种实施方式中，W1小于100nm，以及更具体来说，大于1nm且小于30nm。
在各种实施方式中，D1小于光16的波长和/或光22的波长，具体来说，小于光16的波长和/或光22的波长的50％，以及更具体来说，小于光16的波长和/或光22的波长的30％。在一些此类实施方式中，D1还可以大于光16的波长和/或光22的波长的5％，以及更具体来说，大于10％。在各种实施方式中，D1是10nm至10μm。
在各种实施方式中，相比于平坦的非多孔表面，孔40增加了表面32的表面积。在各种实施方式中，表面32的面积是具有相同的分析物区域18的外尺寸的非多孔平坦玻璃表面的200％那么大、300％那么大、或者500％那么大。在具体实施方式中，表面32的面积是具有相同的分析物区域18的外尺寸的非多孔平坦玻璃表面的400％至1000％那么大之间。在一个具体实施方式中，玻璃片12的多孔区中的自由空间或者空气的百分比可以超过30％、超过50％以及超过75％，以及在此类实施方式中，孔隙度可以定义为网络中自由空间的百分比。
在一些实施方式中，传感器系统10可以构造成允许光16与表面32的分析物直接相互作用，以及在一些此类实施方式中，玻璃片12中的光通过瞬逝光相互作用，通过折射率匹配导致的光学耦合，通过临界角变化或者通过吸收与分析物发生相互作用。
在其他实施方式中，传感器系统10包括分析物响应材料层，其由表面32支撑并且至少部分位于孔40内。通常来说，分析物响应材料是与光16和/或分析物20发生相互作用的任何材料，从而待分析的光22与分析物20的性质相关或者基于分析物20的性质发生变化(例如，分析物的存在/不存在、量、浓度等)。在此类实施方式中，通过用分析物响应材料涂覆孔40，增加了在玻璃与分析物响应材料之间的界面处能够与光16发生相互用作的分析物响应材料的比例。类似地，通过用分析物响应材料涂覆孔40，增加了在分析物与分析物响应材料之间的界面处能够与分析物20发生相互用作的分析物响应材料的比例。
如图3所示，分析物响应材料可以是荧光分析物响应材料，显示为分析物敏感的荧光材料层42。在这种实施方式中，以层施涂分析物敏感的荧光材料42，涂覆了表面32，并且位于分析物区域18中的孔40内。在一个具体实施方式中，分析物敏感的荧光材料42是这样一种材料，其受到光16激发导致荧光，并且在存在分析物的情况下，通过分析物敏感的荧光材料42产生的荧光的强度或者其他特性发生变化。以这种方式，待分析的光22包括来自分析物敏感的荧光材料42的荧光，并且荧光的强度或者其他性质与位于分析物区域18的分析物的存在或量有关。
在一个具体实施方式中，分析物敏感的荧光材料42是O2敏感的荧光团，以及在一个具体实施方式中，分析物敏感的荧光材料42是Ru络合物，例如三(4,7-二苯基-1,10-菲咯啉)钌(II)二氯化物。在采用这种分析物反应性材料的此类实施方式中，分析物20是氧，以及在存在氧的情况下，分析物敏感的荧光材料42的荧光性(经由例如淬冷)降低，并且荧光性降低的程度与分析物区域18存在的氧的量相关。因此，在此类实施方式中，待分析的光22的荧光组分的强度与存在的与分析物敏感的荧光材料42发生相互作用的氧的量相关。在这种布置中，通过光电二极管24产生的信号26与分析物区域18存在的大气氧的量相关，这可以被处理器30读取和处理。
要注意的是，虽然图1-3显示传感器系统中的分析物区域18是玻璃片12的外表面或者上表面，但是也考虑采用本文所述的纳米多孔表面布置的其他玻璃波导传感器布置。例如，在一个实施方式中，传感器系统10包括位于玻璃波导布置的中心的多孔分析物区域18，这是通过将涂覆有分析物响应材料的两块玻璃片压到一起形成的，具有足够的平坦度以维持这两层玻璃层中的波导模式。在其他实施方式中，玻璃片12可以是熔融形成的多层玻璃片(例如，2层或3层)，以及在具体实施方式中，多层玻璃片中的一层或多层玻璃层是购自康宁有限公司的浸出(leached)Vycor玻璃层。
除了孔40之外，分析物区域18中的表面还可以经过改性以增强光与分析物20的相互作用。在一个示例性实施方式中，传感器系统10包括嵌入分析物区域18中的表面32中的银纳米颗粒，相信这通过表面强化的拉曼散射(SERS)增强了光16与分析物20之间的相互作用。在此类实施方式中，可以将银纳米颗粒原位嵌入玻璃中，可以在形成了孔40之后沉积到表面32上。
参见图4，显示根据一个示例性实施方式的玻璃片12中的孔40的显微镜图像。如图4的图像所示和如上文所述，孔40形成与玻璃片12的一个表面相邻的孔的三维网络。在图4所示的实施方式中，通过化学蚀刻过程形成孔40。但是，在其他实施方式中，可以通过任意合适的工艺形成孔40，包括：激光蚀刻、光刻、电子束印刻、蚀刻掩膜的自组装、纳米印刻、相分离(例如，Vycor玻璃的失透)结合选择性蚀刻、使用嵌段共聚物掩膜等。在此类实施方式中，可以通过导致玻璃具有多孔表面的技术来制造玻璃片12，以及在此类实施方式中，不是通过二次成形步骤形成孔40。
参见图5，显示根据一个示例性实施方式的波导光学传感系统(例如，基于波导的玻璃传感器系统50)。除了这里所述的之外，传感器系统50与传感器系统10基本相同。类似于传感器系统10，传感器系统50包括接收光16的分析物区域18，以及待分析的光22离开分析物区域18以与光电二极管24相互作用。但是在图5所示的布置中，光源14和光电二极管24大致位于分析物区域18的相同侧上，具体来说，位于与玻璃片12的同一边缘相邻。在这种布置中，系统50包括位于光源14与光电二极管24之间的光阻断结构52，从而阻止了光16从光源14直接传播到光电二极管24。这种布置限制或者防止光电二极管24由于直接的光16而发生饱和，实现了光电二极管24对于待分析的光22的响应或者增加了对于待分析的光22的响应性。
此外，传感器系统50还包括第二光学传感器，显示为第二光电二极管54。通常来说，光电二极管54构造成接收来自光源14的光16，以及产生与光16的性质相关的信号，并且这个信号与处理器30发生通讯。因此，在这种布置中，光电二极管54监测光源14的输出，并且实现了根据测得的来自光源14的光输出对系统50的运行进行实时调整或控制。例如，可以将测得的来自荧光分析物响应材料的荧光水平与光的特性(例如，强度、波长等)和分析物存在的量这两者相关联。因此，通过经由光电二极管54来监测光源14的运行，通过调节基于光源14的输出中的波动读数，系统50可以更准确地测量所需的分析物性质。
传感器系统50还包括第二光阻断结构56，其位于分析物区域18与第二光电二极管54之间，从而传播自分析物区域18的待分析的光22被阻断无法直接传播到第二光电二极管54。这种布置限制或者防止光电二极管54与待分析的光22发生串扰，实现了光电二极管54对于光16的响应或者增加了对于光22的响应性。通常来说，光阻断结构52和56可以分别是适合限制或防止光到达光电二极管24和54的任意合适结构。在各种实施方式中，光阻断结构52和56可以是不透明的物理结构、反射性结构、吸光结构、滤光器等。
在各种实施方式中，玻璃片12可以是由能够起到波导作用的种类繁多的各种合适的玻璃材料形成。在各种实施方式中，玻璃片12可以由熔合拉制玻璃材料形成，以及在具体实施方式中，玻璃片12可以是购自康宁有限公司的Eagle XG玻璃、Gorilla玻璃、高纯度熔融二氧化硅(HPFS)、Vycor玻璃或者Iris玻璃。在各种实施方式中，形成的玻璃片12可以是某些应用所需的各种各样的尺寸。在各种实施方式中，玻璃片12的宽度和/或长度可以是5毫米至250厘米。在一些实施方式中，玻璃片12的子区段可以被用作传感器系统10的波导，以及在其他实施方式中，整个玻璃片12可以被用作传感器系统10的波导。在各种实施方式中，玻璃片12可以构造成在许多不同应用中提供传感。例如，玻璃片12可以是专用传感器装置中的基材，用于移动电子装置的装配有传感器的覆盖玻璃，用于显示器装置的装配有传感器的覆盖玻璃，汽车用玻璃就，建筑/建筑用玻璃等。
图6A和6B显示例如上文所述的运行系统所产生的数据，证实了采用玻璃片波导可以产生与O2浓度成比例的可重复信号，所述玻璃片波导包括支撑了Ru-络合物(具体来说，三(4,7-二苯基-1,10-菲咯啉)钌(II)二氯化物)作为分析物敏感荧光材料的多孔分析物区域，如上文所述。在一个实施方式中，CH00是来自光电二极管24的输出，以及CH07是来自光电二极管54的输出，如图5所示。用于取得图6A和6B中的数据的硬件包括波形产生器、LED/激光驱动器和锁定放大器。采用质量流控制器来改变氧含量。图6A和6B中的数据显示了随着氧增加，Ru络合物荧光性的明显淬冷。
除非另有表述，否则都不旨在将本文所述的任意方法理解为需要使其步骤以具体顺序进行。因此，当方法权利要求实际上没有陈述为其步骤遵循一定的顺序或者其没有在权利要求书或说明书中以任意其他方式具体表示步骤限于具体的顺序，都不旨在暗示该任意特定顺序。此外，如本文所用冠词“一个“”旨在包括一个或多个组分或元素，并且并不旨在理解为表示仅一个。
对本领域的技术人员而言，显而易见的是可以在不背离所示实施方式的精神或范围的情况下作出各种修改和变动。因为本领域的技术人员可以想到所揭示的实施方式的融合了实施方式的精神和实质的各种改良、组合、子项组合和变化，应认为所揭示的实施方式包括所附权利要求书范围内的全部内容及其等同内容。

Claims (20)

1.一种波导光学传感系统，其包括：
光源，其构造成产生具有波长的光；
由透光材料形成的波导，所述波导具有输入区域、输出区域、外表面和位于沿着外表面的分析物区域，其中，来自光源的光在输入区域进入波导并且在波导内通过总内反射传播到分析物区域，以及待分析的光在波导内通过总内反射从分析物区域传播到输出区域；
与输出区域耦合的光学传感器，所述光学传感器构造成与待分析的光相互作用，并且构造成产生与待分析的光的性质相关的信号；以及
多个孔，所述多个孔的位置是沿着分析物区域内的外表面并且形成在波导的透光材料中，其中，孔具有平均孔宽度，其中，所述平均孔宽度小于30％的所述波长。
2.如权利要求1所述的波导光学传感系统，其特征在于，所述平均孔宽度小于10％的所述波长。
3.如权利要求2所述的波导光学传感系统，其特征在于，所述平均孔宽度小于100nm。
4.如权利要求2所述的波导光学传感系统，其特征在于，所述平均孔宽度大于1nm且小于30nm。
5.如权利要求1所述的波导光学系统，其还包括由分析物区域中的波导的外表面支撑的荧光分析物响应材料层，其中，至少一些荧光分析物响应材料位于孔内，其中，待分析的光包括通过荧光分析物响应材料产生的光，以及光学传感器构造成产生与待分析的光的强度和波长中的至少一种相关的信号，其中，所述透光材料是玻璃。
6.如权利要求5所述的波导光学传感系统，其特征在于，所述光源是LED，所述光学传感器是光电二极管，以及所述荧光分析物响应材料是O2敏感的荧光团。
7.如权利要求1所述的波导光学系统，其还包括位于光源与光学传感器之间的第一光阻断结构，从而阻断了光直接从所述光源传播到所述光学传感器。
8.如权利要求7所述的波导光学传感系统，其还包括：
第二光学传感器，其构造成接收来自光源的光并且产生与光源所产生的光的性质相关的信号；以及
位于分析物区域与所述第二光学传感器之间的第二光阻断结构，从而传播自分析物区域的待分析的光被阻断无法直接从所述分析物区域传播到所述第二光学传感器。
9.如权利要求1所述的波导光学传感系统，其特征在于，波导是玻璃片的至少一部分，所述玻璃片具有第一主表面、与第一主表面相对的第二主表面以及第一主表面与第二主表面之间的厚度，其中，波导的外表面是所述第一主表面和第二主表面中的至少一个。
10.如权利要求9所述的波导光学传感系统，其特征在于，在所述第一主表面上形成所述分析物区域和所述多个孔，以及输入区域和输出区域的位置是沿着所述第二主表面。
11.如权利要求10所述的波导光学传感系统，其特征在于，玻璃片的厚度是20μm至4mm。
12.一种玻璃传感器系统，其包括：
玻璃材料片，其包括第一主表面和位置是沿着第一主表面的多孔区域；
将光引导入玻璃材料片的第一区域中的光源，从而光在玻璃材料片中通过总内反射传播到光与分析物发生相互作用的多孔区域；以及
耦合到玻璃材料片的第二区域的光敏装置，所述光敏装置与通过总内反射从多孔区域传播到第二区域的光发生相互作用，所述光敏装置构成产生信号，所述信号与和光敏装置发生相互作用的光的性质相关；
其中，所述多孔区域包括形成在玻璃材料中的多个孔，其中，所述孔具有小于100nm的平均孔宽度。
13.如权利要求12所述的玻璃传感器系统，其还包括由多孔区域中的第一主表面支撑的分析物响应材料层，其中，至少一些分析物响应材料位于孔内，其中，来自光源的光通过与分析物响应材料的直接相互作用发生与分析物的相互作用。
14.如权利要求13所述的玻璃传感器系统，其特征在于，玻璃片的厚度是20μm至4mm，其中，多孔区域占据了小于第一主表面的整个面积，其中，分析物响应材料是受到来自光源的光激发的荧光分析物响应材料，其中，与光敏装置发生相互作用的光包括在来自光源的光的激发过程中，荧光分析物响应材料产生的光。
15.如权利要求12所述的玻璃传感器系统，其特征在于，所述多个孔具有10nm至10μm的平均深度，其中，所述平均孔宽度是大于1nm且小于30nm，其中，来自光源的光的平均波长至少是所述平均孔宽度的20倍。
16.如权利要求15所述的玻璃传感器系统，其特征在于，所述第一主表面是基本平坦表面。
17.一种传感器波导，其构造成用作传感系统的一部分，所述传感器波导包括：
透光材料片，其包括：
第一主表面；
与所述第一主表面相对的第二主表面；
位于所述第一主表面上的分析物接触区域；以及
形成在分析物接触区域内的透光材料中的多个孔，其中，孔具有小于100nm的平均孔宽度；以及
被分析物接触区域内的第一主表面支撑的分析物响应材料层，其中，至少一些分析物响应材料位于所述多个孔内。
18.如权利要求17所述的传感器波导，其特征在于，所述多个孔具有10nm至10μm的平均深度，其中，所述平均孔宽度是大于1nm且小于30nm，其中，透光材料是玻璃材料，其中，玻璃材料片的平均厚度是20μm至2mm。
19.如权利要求17所述的传感器波导，其特征在于，所述分析物响应材料是荧光分析物响应材料，当受到来自光源的光激发时，所述荧光分析物响应材料发荧光，其中，荧光分析物响应材料的荧光量与是否存在所述分析物相关。
20.如权利要求19所述的传感器波导，其特征在于，所述荧光分析物响应材料是O2敏感荧光团。
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