CN110462379B - 具有纳米尺寸的过滤器的平面波导装置 - Google Patents

具有纳米尺寸的过滤器的平面波导装置 Download PDF

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Abstract

公开了一种用于与流体(FLD)相互作用的平面波导装置(PWD)，所述平面波导装置(PWD)包括‑波导层(WGL)，用于支持光学限制，‑耦合组件(CPA)，用于光进出所述波导层(WGL)的输入耦合和输出耦合，‑流体区(FZN)，用于容纳所述流体(FLD)，‑过滤层(FTL)，在所述波导层(WGL)的相互作用区域(IAR)中布置在所述流体区(FZN)和所述波导层(WGL)之间，其中所述过滤层(FTL)包括过滤器开口(FOP)，所述过滤器开口布置为允许所述流体(FLD)与由所述波导层(WGL)引导的光的消逝场相互作用，其中所述过滤器开口(FOP)适于防止大于预定尺寸的颗粒(PAR)与所述消逝场相互作用，其中所述过滤器开口(FOP)布置为线开口，所述线开口的纵向方向平行于由所述波导层(WGL)引导的光的传播方向(DOP)。另外，公开了平面波导装置(PWD)的检测血液溶血的用途和使光与流体相互作用的方法。

Description

具有纳米尺寸的过滤器的平面波导装置
技术领域
本发明涉及一种平面波导装置，尤其涉及一种带有小型化过滤器的平面波导装置及其用途。
背景技术
允许流体和来自波导层的消逝场之间的相互作用的各种平面波导装置在本领域中是已知的。一个示例在US2012/0085894A1中示出。
美国专利7,200,311涉及具有增强的表面灵敏度的内反射红外波导。可以在多内反射晶体顶部的沉积层中形成多个纳米通道。沉积层的折射率可基本上类似于多内反射晶体的折射率。
然而，已知的平面波导装置可能仍然存在一些问题，例如，可以改善光的引导效率以及与消逝场的相互作用。而且，具有广泛应用的稳健装置的理想的。
发明内容
本发明涉及一种用于与流体相互作用的平面波导装置，该平面波导装置包括
-波导层，用于支持光学限制，
-耦合组件，用于光进出波导层的输入耦合和输出耦合，
-流体区，用于容纳流体，
-过滤层，在波导层的相互作用区域中布置在流体区和波导层之间，
其中过滤层包括过滤器开口，所述过滤器开口布置为允许流体与由波导层引导的光的消逝场相互作用，
其中过滤器开口适于防止大于预定尺寸的颗粒与消逝场相互作用，
其中过滤器开口布置为线开口，所述线开口的纵向方向平行于由波导层引导的光的传播方向。
本发明的一个优点可以在于，通过与过滤器开口中的流体的消逝相互作用，获得了与流体的选择性相互作用。更详细地说，流体中的颗粒通常会干扰相互作用，例如，如果与流体相比，颗粒的相互作用可能性更高。
本发明的另一个优点可以是以快速和准确的方式获得选择性相互作用。通过与流体的光学相互作用，可以避免包括或需要化学反应、过滤或分离的任何替代相互作用。
本发明的另一个优点在于，它提供了一种非常稳健的装置，该装置可用于各种应用，包括在其他有问题的流体环境中进行感测，在这些环境中，固体颗粒先前已经干扰或阻碍了精确的测量。而且，通过利用适于支持光学限制的波导，可以最小化或避免不希望的光学泄漏。这开辟了新的应用范围，特别是在含有流体的颗粒中，其中本发明可以提供直接测量而无需先前需要的预过滤。
本发明的显著优点在于，可以获得用于各种不同环境的多用途传感器和相互作用装置。有利地，波导层支持光学限制，因此除了经由耦合组件之外，光被有效地阻止从波导层逸出，因此除了在过滤器开口中之外，同时也阻止与周围流体的相互作用。由于根据本发明的过滤器开口的布置，光和流体之间的相互作用被选择性地限制在过滤器开口中以便仅允许去除了太大而不能进入过滤器开口的颗粒的相互作用。这有利于高度选择性，例如，当制造传感器和相互作用装置以用于颗粒可能干扰与流体的相互作用的环境时，这是有利的，从而导致更精确的装置。特别地，有利地将光与过滤层的耦合有效地最小化或消除，部分是由于过滤器开口的取向，即，通过将过滤器开口布置为线开口，所述线开口的纵向方向平行于由波导层引导的光的传播方向，且部分是由于光学限制，例如，通过具有足够低的折射率的过滤层。因此，消逝场应该从波导层本身和/或波导层和过滤层之间的中间层(如果存在的话)延伸，而不是从过滤层延伸，特别地，不是从过滤器开口外部的过滤层的部分延伸，因为这将允许消逝场与太大而无法进入过滤器开口的粒子之间的相互作用。因此，本发明有利地防止了消逝场与流体中的太大而不能进入过滤器开口的颗粒之间的相互作用。
本发明的另一个优点可以是以非破坏性方式获得选择性相互作用，其对流体的组成具有相对小的影响。更详细地，经受平面波导装置的流体在其经受之后可以基本上不受影响，并且可以避免流体的预过滤。
另一个优点可以是，可以获得与颗粒的选择性相互作用，其中一些小于预定尺寸的颗粒与光相互作用，但是大于预定尺寸的颗粒被有效地排除与光相互作用。
与流体的可能相互作用包括经由过滤器开口中的消逝场通过流体吸收光，经由过滤器开口中的消逝场通过光对流体的激发，以及经由消逝场与输出耦合处的流体相互作用来测量流体的折射率。此外，应该广义地理解光，其不仅是可见光，还有红外光(包括近红外光)和紫外光。
而且，通过使用本发明的过滤层，可以以相对简单的方式获得上述优点。
在本文中，光学限制表示在波导层内朝向相邻层的光学限制，即，顶部上的邻接层和下方的邻接层。当然，光学限制在耦合组件处不起作用，因为它们有效地执行光进出波导层的输入耦合和输出耦合。通过例如相邻层的材料的选择，例如顶部上的邻接过滤层(或者替代地，插设在波导层和过滤层之间的另一个邻接层)和下方邻接的支持层，必须使得所有三层的折射率都支持光学限制。在邻接层中具有足够低的折射率确保光学限制。光学限制应该优选地使得在波导层内支持至少一种光学模式。
如本文所用，术语“平面波导装置”旨在表示用于与流体相互作用的装置，该装置包含用于引导相互作用光(用于与流体相互作用的光)的波导层。通过使用波导层，波导装置获得平面配置，并且还可以表示为平板(slab)波导装置。
如本文所用，术语“流体”旨在表示液体或气体。它可以用于各种液体，例如，血液、油、污水或液体食品成分，或气体，例如，各种废气。
如本文所用，术语“波导层”旨在表示这样的层，该层形成适用于可应用的光波长的波导。通常，它被一侧的上包覆层和另一侧的下包覆层覆盖，其中包覆层的折射率可以低于波导层，以便于在波导层中引导光，即光学限制。显然，取决于所用的光源，这里的折射率是指相关的(多个)波长。
如本文所用，术语“耦合组件”旨在表示将光耦合进出波导层的组件。它可以是单个耦合元件，或者它可以由例如两个耦合元件组成，用于将光耦合到波导层中的输入耦合元件和用于将光从波导层耦合出来的输出耦合元件。耦合组件可包括适用于将光耦合到波导层中并从波导层耦合出来的任何耦合器。
如本文所用，术语“输入耦合元件”旨在表示耦合组件的将光耦合到波导层中的部分。输入耦合元件可包括适用于将光耦合到波导层中的任何输入耦合器。
如本文所用，术语“输出耦合元件”旨在表示耦合组件的将光耦合从波导层耦合出来的部分。输出耦合元件可包括适用于将光从波导层耦合出来的任何输出耦合器。
如本文所用，术语“流体区”旨在表示用于容纳流体的区域。流体区可以包括或者是流体流动通道或流动池。这种组件可以通过许多不同的方式实现；然而，重要的是允许与之相互作用的流体接触过滤层，以允许在过滤器开口中与消逝场相互作用。
如本文所用，术语“相互作用区域”旨在表示允许流体与穿过波导层的光的消逝场相互作用的区域。因此，相互作用区域对应于其中过滤器开口允许这种相互作用的区域。
如本文所用，术语“过滤器开口”旨在表示过滤层的开口，其允许流体通过，但是防止或阻止大于预定尺寸的颗粒通过。过滤器开口设置为线开口，即开槽，以形成光栅。过滤器开口的尺寸和间距可以基本相同，或者它们可以变化，例如，通过逐渐增加过滤器开口的宽度，以允许越来越大的颗粒与穿过波导层的光的消逝场相互作用。
如本文所用，根据具体用途，术语“颗粒”可以指各种不同颗粒。在一些实施例中，流体中的颗粒可能具有或多或少的一致尺寸，因此全部被阻止与消逝场相互作用，而在其他实施例中，颗粒可以具有不同的尺寸，因此可以允许一些小于预定尺寸的颗粒与消逝场相互作用。
如本文所用，术语“传播方向”旨在表示在波导层中被引导的光的方向。例如，当耦合组件包括两个单独的耦合元件，分别用于光的进出波导层的输入耦合和输出耦合时，传播方向将是从输入耦合元件朝向输出耦合元件。
如本文所用，术语“下包覆层”旨在表示在波导层的与过滤层相对的一侧的与波导层相邻的包覆层。通常，下包覆层的折射率低于波导层的折射率，以支持波导层中的光的引导。
如本文所用，术语“上包覆层”旨在表示在波导层的与过滤层相同的一侧的与波导层相邻的包覆层。通常，上包覆层的折射率低于波导层的折射率，以支持波导层中的光的引导。在一些实施例中，上包覆层和过滤层由相同的材料制成；例如过滤层可以通过移除覆盖所有波导层的初始上包层的部分以在相互作用区域中形成过滤器开口而形成。
如本文所用，术语“光栅”旨在表示衍射光栅，即，可以将光耦合到波导层中并从波导层耦合出来的光栅。典型的光栅包括基本相同的、平行的、长形元件的任何规则间距的集合。可以将光栅的间距调节到要使用的(多个)特定波长的光。
如本文所用，术语“光学限制”是指适于支持至少一种光学模式的波导层。通常，这可以通过具有相邻层来提供，例如，在一侧的上包覆层和在另一侧的下包覆层，其中这些层可以具有低于波导层的折射率，以便于在波导层中引导光，从而提供光学限制。
根据本发明的有利实施例，过滤器开口由至多10微米的线间距限定，例如至多5微米，例如至多1微米，例如至多800纳米，例如至多200纳米，例如至多100纳米。即，过滤层可以理解为小型过滤层或纳米尺寸的过滤层。
根据本发明的实施例，过滤器开口由10纳米至10微米的线间距限定，例如50纳米至5微米，例如100纳米至1微米。线间距也可以称为过滤器开口的宽度。
根据本发明的实施例，过滤器开口具有基本相同的尺寸。换句话说，线间距在所有过滤器开口上基本相同。
根据本发明的有利实施例，过滤层具有第一折射率，其中波导层具有第二折射率，并且其中第一折射率低于第二折射率，例如至少低3％。
在其他实施例中，过滤器开口可具有不同的尺寸。例如，可以使用多个过滤器开口宽度以过滤不同的颗粒尺寸。输出耦合光可以例如由二维传感器阵列检测，例如CCD或CMOS传感器，其中一个方向解析光谱，另一个方向解析过滤器开口宽度差。
根据本发明的有利实施例，所述耦合组件包括用于光进入波导层的输入耦合的输入耦合元件、和用于光离开波导层的输出耦合的输出耦合元件。
上述实施例的一个优点可以在于，允许光在相当大的距离上穿过波导层，从而允许经由过滤器开口中的消逝场与流体相互作用，例如吸收或激发。
根据本发明的有利实施例，相互作用区域在输入耦合元件和输出耦合元件之间延伸。
上述实施例的一个优点可以在于，允许光在相当大的距离上穿过波导层，从而允许经由过滤器开口中的消逝场与流体相互作用，例如吸收或激发。
根据本发明的有利实施例，相互作用区域在输入耦合元件和输出耦合元件之间且还在输出耦合元件上方延伸。
上述实施例的一个优点可以在于，在波导层中行进的光在输出耦合元件期间被允许受到流体折射率的影响。换句话说，来自波导层的光的输出耦合受到流体的折射率的影响，并且通过测量由流体的折射率引起的这种影响，例如，作为输出耦合光的偏转变化和/或作为固定位置处光的波长变化，可以有利地获得折射率的量度。通过吸收光或通过光激发，该实施例可以有利地允许消逝场和流体之间的相互作用，同时获得流体折射率的量度。
使用光栅作为输出耦合元件提供了光的分散，有助于测量流体的折射率。
根据本发明的有利实施例，所述耦合组件在相互作用区域的至少一部分上延伸，例如在整个相互作用区域上延伸。
上述实施例的一个优点可以是可以获得流体的折射率。通过使流体在耦合组件处与光的消逝场相互作用，即，也在光的输出耦合的位置，来自波导层的光的输出耦合受到流体的折射率的影响，并且通过测量由流体的折射率引起的这种影响，例如，作为输出耦合光的偏转变化和/或作为固定位置处光的波长变化，可以有利地获得折射率的量度。
使用光栅作为输出耦合元件提供了光的分散，有助于测量流体的折射率。
根据本发明的有利实施例，输出耦合元件包括色散元件，例如光栅。
上述实施例的一个优点可以是色散元件(例如光栅)可以引起光的衍射偏转，从而引起光从波导的输出耦合。这种衍射偏转是以与波长相关的方式获得的；即，不同的波长以不同的角度偏转。特别是，当与允许相互作用区域至少部分地在输出耦合元件上方延伸的实施例组合时，这有利地允许测量流体的反射率，因为分散作用(即，输出耦合的角度)受流体的反射率的影响。因此，通过测量由流体的折射率引起的这种影响，例如，作为输出耦合光的偏转变化和/或作为固定位置处光的波长变化，可以有利地获得折射率的量度。
如上所示，在一些实施例中，耦合组件可包括单独的输入耦合元件和输出耦合元件。在其他实施例中，耦合组件用于将光耦合到波导层中并将光从波导层耦合出来，即，同时作为输入耦合元件和输出耦合元件。
替代地，输出耦合元件可以是基于棱镜的输出耦合元件，或直接耦合到光纤。
根据本发明的实施例，输入耦合元件包括光栅、棱镜或直接耦合到光纤。
根据本发明的实施例，平面波导层还包括上包覆层。上包覆层可以覆盖过滤层外部的波导层。在一些实施例中，过滤层可以是与上包覆层相同的层，其中过滤层通过在上层中形成开口而形成，从而形成相互作用区域。通常，上包覆层可具有比波导层更低的折射率，例如，至少低0.2个单位的折射率。
根据本发明的实施例，波导层沉积在具有较低折射率的下包覆层上，例如低0.2个单位的折射率。
应该理解，平面波导装置可以包括光源或者可以从外部光源接收光。
根据本发明的有利实施例，平面波导装置还包括作为光源的激光装置。
上述实施例的一个优点可以是它能够通过基于阵列的光传感器检测光，以给出关于对光的影响的信息，例如来自波导层的输出耦合处的流体的折射率的影响。
根据本发明的有利实施例，平面波导装置还包括作为光源的宽带光源。
上述实施例的一个优点可以是它能够在固定位置进行波长的光谱检测，以给出关于对光的影响的信息，例如来自波导层的输出耦合处的流体的折射率的影响。
例如，宽带光源可以具有在整个可见光谱范围内延伸的宽度，例如，取自400至700纳米，即白光源。
根据本发明的有利实施例，平面波导装置还包括基于阵列的光传感器，例如CMOS传感器、CCD传感器或光电二极管阵列传感器。
上述实施例的一个优点可以是，基于阵列的光传感器对来自激光装置的光的检测可以给出关于对光的影响的信息，例如来自波导层的输出耦合处的流体的折射率的影响。
在这种情况下，CMOS传感器和CCD传感器各自被认为是包括多个像素的阵列。
使用诸如光栅的色散元件，可以将输出耦合的光分成其波长分量。
当基于阵列的光传感器与激光光源一起使用并使用色散元件(如光栅)作为输出耦合元件时，可以通过检测光的输出耦合角来检测与输出耦合的流体相互作用，通过相互作用区域至少部分地(例如完全地)覆盖输出耦合元件或整个耦合组件促进所述相互作用。
当基于阵列的光传感器与宽带光源一起使用时，流体和输出耦合之间的相互作用导致在光传感器的特定固定位置处输出耦合光的不同波长。因此，使用光学光谱仪作为光传感器，输出耦合光的检测波长给出了与流体的相互作用的指示，从而给出了流体的反射率。
根据本发明的实施例，平面波导装置还包括作为光传感器的光电二极管。
根据本发明的有利实施例，平面波导装置还包括作为光传感器的光学光谱仪。
上述实施例的一个优点可以是固定位置的波长的光谱检测，以给出关于对光的影响的信息，例如来自波导层的输出耦合处的流体的折射率的影响。通过使用宽带光源，足够范围的可用波长使得光学光谱仪的光检测用于具有足够折射率范围的流体。
根据本发明的有利实施例，流体是液体，例如血液。
在液体是血液的实施例中，颗粒可以是红细胞，特别是当平面波导装置用作血液溶血传感器时。
上述实施例的一个优点可以是通过用血红蛋白吸收的波长进行的吸收测量，可以获得血液溶血水平的指示。
根据各种实施例，其他可能的液体包括例如废水、发动机油、食品配料等。
根据本发明的有利实施例，平面波导装置还包括形成流体区的流体流动通道。
根据本发明的有利实施例，流体流动通道是流动池。
根据本发明的有利实施例，平面波导装置还包括在过滤层的相对侧上的邻接波导层的包覆层，该包覆层具有第三折射率，其中第三折射率低于第二折射率，例如至少低3％。
根据实施例，过滤层包含UV可固化聚合物(OrmoComp)或由其组成。也可以使用其他ORMOCER聚合物。此外，可以使用环氧聚合物(如SU8)，或其他UV可固化抗蚀剂(如丙烯酸UV抗蚀剂)，或任何其他纳米压印抗蚀剂。重要的是材料相对便宜，可以以各种方式成形，并且坚硬耐用——因此它将抵抗颗粒的影响，并抵抗流体的化学性质。波导层可以例如包括硅或由硅组成。
可以使用各种已知方法来形成过滤层，例如各种合适的压印工艺，包括UV-纳米压印工艺，热压印工艺和UV-热-混合压印工艺。
根据本发明的实施例，中间层介于波导层和过滤层之间。中间层可以用作波导层抵抗流体的保护层，和/或它可以促进流体中某些分子或物质的选择性结合，以增加与消逝场的相互作用。
本发明还涉及根据本发明的平面波导装置及其任何实施例的检测血液溶血的用途。
血液溶血的指示是血浆中存在游离血红蛋白。这种游离血红蛋白来自红细胞破裂，这种破裂被称为血液溶血，可能是患者病情的指示。然而，由于血红蛋白也存在于红细胞中，因此通常必须将这些血红蛋白从血浆中分离出来以测量血浆中剩余的血红蛋白。另外，操纵血液，例如在过滤期间，可能自身导致进一步的溶血和进一步的游离血红蛋白。由于测量的血红蛋白由来自患者病症诱发的溶血的血红蛋白以及与患者的病症无关的进一步溶血组成，因此结果可能是不准确的或甚至不可用的。
然而，借助于本发明的平面波导装置，可以测量游离血红蛋白，而无需对红细胞进行任何预过滤，因为过滤层使它们保持不相互作用，因此可以获得更准确的结果。
本发明的平面波导装置及其任何实施例的各种其他用途可包括吸收测量，流体的折射率的测量，以及用于激发流体和/或其组分的激励。
本发明还涉及一种使光与流体相互作用的方法，该方法包括以下步骤
-将光耦合到波导层中，
-在波导层内引导光，在波导层的外部形成消逝场，
-使被引导的光的消逝场与流体相互作用，
-使用过滤层过滤所述流体，以防止大于预定尺寸的颗粒与消逝场相互作用，过滤层包括过滤器开口，所述过滤器开口布置为允许流体与由波导层引导的光的消逝场相互作用，
-将经相互作用的光从波导层耦合出来，
其中过滤器开口布置为线开口，所述线开口的纵向方向平行于由波导层引导的光的传播方向。
根据本发明的有利实施例，该方法还包括测量输出耦合光的至少一个特性的步骤。
根据本发明的有利实施例，流体包括大于所述预定尺寸的颗粒。
根据本发明的有利实施例，该方法使用本发明的平面波导装置或其任何实施例来执行。根据本发明的有利实施例，平面波导装置适于以本发明的方法或其任何实施例操作。
附图说明
现在将参考附图描述本发明，其中：
图1示出了根据本发明实施例的一般平面波导装置，
图2-4示出了根据本发明实施例的平面波导装置的截面侧视图，
图5-6示出了根据本发明实施例的平面波导装置的透视图，
图7示出了根据本发明实施例的平面波导装置，
图8示出了根据本发明实施例的平面波导装置，
图9A-9D和10示出了使用本发明的平面波导装置获得的实验数据。
具体实施方式
参见图1，示出了根据本发明的实施例的平面波导装置PWD的示意图。平面波导装置PWD适于允许流体FLD和光束LTG之间的相互作用。这通过过滤层FTL实现，如下面更详细描述的。
在图2-6中更详细地示出了进一步的实施例，并且可以根据图1及其下面的讨论来理解所有这些实施例。
返回图1，平面波导装置PWD包括用于支持光学限制的波导层WGL、耦合组件CPA、用于容纳流体FLD的流体区FZN、以及过滤层FTL。
过滤层FTL是纳米尺寸的，即过滤器开口FOP的宽度通常可以是至多10微米，例如至多5微米，例如至多1微米，例如至多800纳米，例如至多200纳米，例如至多100纳米。
平面波导装置PWD还可包括光源LSO和光传感器LSE。光源LSO发射光束LTB，例如，来自激光装置的激光束或来自宽带光源的宽带光束。
耦合组件CPA适于光进出波导层WGL的输入耦合和输出耦合。在图1中，耦合组件CPA包括单独的输入耦合元件ICPA和单独的输出耦合元件OCPA；然而，在其他实施例中，耦合组件CPA可以由单个耦合元件CPA形成，该单个耦合元件CPA执行光进出波导层WGL的输入耦合和输出耦合。耦合组件CPA可包括光栅、棱镜或直接耦合到光纤。
过滤层FTL包括过滤器开口FOP，其布置为允许流体FLD与由波导层WGL引导的光的消逝场相互作用。
过滤层FTL在波导层WGL的相互作用区域IAR中布置在流体区FZN和波导层WGL之间。因此，过滤器开口FOP可以防止大于预定尺寸的颗粒PAR与所述消逝场相互作用。预定尺寸通常由过滤器开口FOP的宽度确定，其在纳米级区域中，例如，至多10微米。换句话说，过滤层FTL将流体区FZN与波导层WGL分开，即控制两者之间的材料通过。平面波导装置PWD有时可包括过滤层FTL和波导层WGL之间的另外的层，例如，以提供波导层WGL的保护，或者提供与例如抗体、聚合物、适体或用于在流体中结合样本的其他受体的选择性结合。然而，必须将另外的层布置成允许消逝场延伸到流体中。
除上述之外，应该理解，与所述消逝场相互作用的相互作用在过滤器开口FOP中。即，通过允许流体FLD进入过滤器开口FOP，允许流体FLD与消逝场相互作用，并且通过防止大于预定尺寸的颗粒PAR进入过滤器开口FOP，防止颗粒PAR与所述消逝场相互作用。
过滤器开口FOP布置为线开口，其纵向方向与由波导层WGL引导的光的传播方向DOP平行。在以下附图的一些中更清楚地说明了这一点，例如图5-6。因此，过滤层FTL与波导光学地解耦合，即，过滤器本身对由波导层引导的光的影响被最小化或实际上避免。这里应该理解的是，当在波导层WGL中引导光时，其纵向方向与由波导层WGL引导的光的传播方向DOP平行的线开口是在平面波导装置PWD的操作期间。
现在，参考图2和5，根据本发明的另一实施例的平面波导装置PWD在图2的截面侧视图和图5的透视图中示出。
进一步如图1所示，输入耦合组件CPA在此被视为由两个耦合元件组成；输入耦合元件ICPA和输出耦合元件OCPA。
在图2和5中，输入耦合元件ICPA和输出耦合元件OCPA都被示为光栅。然而，在其他实施例中，耦合元件可以通过图1中提到的不同装置提供，并且不需要相同，例如，棱镜可以用作输入耦合元件ICPA，并且光栅可以用作输出耦合元件OCPA。
光束LTB通过输入耦合元件ICPA耦合到波导层WGL中，然后在传播方向DOP上通过波导层WGL引导，经过相互作用区域IAR中的过滤层FTL到输出耦合元件OCPA，在此处，它从波导层WGL耦合出来。
光源LSO和光传感器LSE未在图2或图5中示出，但可以如图1中那样使用。
从图2和图5中可以看出，由过滤层FTL的范围限定的相互作用区域IAR在输入耦合元件ICPA和输出耦合元件OCPA之间延伸，但不在这些上方延伸。因此，图2和图5中所示的实施例非常适用于例如过滤器开口FOP中的流体与消逝场之间的吸收和激发相互作用。过滤层FTL未延伸的区域被上包覆层UCL覆盖，以便于在波导层WGL中进行引导。类似地，下包覆层LCL位于波导层WGL下方。通常，上包覆层UCL和下包覆层LCL的折射率低于波导层WGL的折射率。
在图5中，不允许进入过滤器开口FOP并因此防止与其中的消逝场相互作用的颗粒PAR可以代表血液溶血传感器装置中的红细胞。但是，它们也说明了更一般的原理，防止尺寸(例如直径)大于由过滤器开口FOP的宽度限定的预定尺寸的颗粒进入过滤器开口FOP并与消逝场相互作用。
应注意，图5是部分透视的，以帮助理解所示的平面波导装置PWD的各种元件的组成。
在图3中，以截面侧视图示出了略微改型的实施例。这里，过滤层FTL也在输出耦合元件OCPA上方延伸，以允许在输出耦合期间流体与被引导的光的消逝场之间的相互作用。由于图3中所示的平面波导装置PWD沿着过滤层FTL具有引导距离(即，输入耦合元件ICPA和输出耦合元件OCPA隔开一段距离)，流体FLD被允许与消逝场相互作用，使其适合于与流体的吸收和激发相互作用。由于过滤层FTL和该相互作用区域IAR也在输出耦合元件OCPA上方延伸，所示的平面波导装置PWD也适合于提供关于流体FLD的折射率的信息。
现在参考图4和图6，示出了两个类似的实施例。图4示出了截面侧视图，而图6示出了透视图。虽然图6仅示出了相互作用区域IAR，但图4还示出了波导层WGL稍微延伸超出相互作用区域。在两个实施例中，耦合组件CPA由单个耦合元件组成，从而再次提供光进入波导层WGL的输入耦合和从波导层WGL的输出耦合。由于输出耦合在相互作用区域IAR内进行，因此输出耦合受到流体FLD的折射率的影响，因此所示的平面波导装置的PWD适合于测量流体FLD的折射率。
应注意，图6是部分透视的，以帮助理解所示的平面波导装置PWD的各种元件的组成。
参考图7，示出了根据本发明的实施例的平面波导装置PWD。平面波导装置PWD包括过滤层FTL和波导层WGL。如关于图1和5所述。流体区FZN形成为流体通道，其延伸以促进流体与过滤层FTL接触的流动。在图7中，流体流动的方向近似垂直于光的传播方向，而在其他实施例中，相对角度可以是例如约45度或0度，即平行配置。在图7中，待测量的流体被供应到流体区FZN并且通过合适的管再次从其中提取。这说明在图7的背景下，流体连续地提供给平面波导装置PWD，优选地以相对稳定的流速，这与例如当使用浸没在环境情况中的平面波导装置PWD(即不在实验室中)时，或当流体流量大约为零时，由周围环境决定的流体流动相反。
参考图8，示出了根据本发明的实施例的平面波导装置PWD。应注意，图8是部分透视的，以帮助理解所示的平面波导装置PWD的各种元件的组成。
在该实施例中，平面波导装置PWD包括用于光的两个路径，左上路径类似于关于图1和5描述的路径，右下路径是相同的，不同之处仅在于过滤层FTL中不存在过滤器开口。
这允许光通过两个基本相同的路径发送，不同之处在于光与左上路径中的流体相互作用，而不是左下路径中的流体。
在一个实施例中，相同的光源用于每个路径，例如，通过利用双缝将原始光束分成两个。在从两个路径中的每一个路径输出耦合光束之后，两个输出耦合的光束可以相互作用，例如，通过干涉。例如，这可以使用另一个双缝产生干涉图案来实现，或者通过使用改型的输出耦合组件，例如，改进的光栅耦合器组件。通过这种设置，可以测量流体的折射率的变化。
示例
平面波导装置通过光栅耦合器用532纳米激光来激发。用CMOS相机通过显微镜物镜捕获流动通道形式的流体区的图像。其间使用荧光发射滤光器来消除激发波长。波导装置包括根据本发明的过滤层，其具有过滤器开口，所述过滤器开口具有200-220纳米的宽度且具有400纳米的周期。
通过波导聚合物的自发荧光产生自发荧光图案，其中光在与垂直穿过图像相对应的方向上行进，并且流体流动垂直于光传播。自发荧光的结果如图9A所示。
使用两种具有不同直径(100纳米和2微米)的水性悬浮液的聚苯乙烯红色荧光珠来表征尺寸排阻功能。两者均为红色荧光，且使用0.1％固体浓度。结果显示在图9B(2微米珠)和图9C(100纳米珠)中。另外，图9A-9C的结果在图9D中以可比较的方式示出，示出了三次测量中每一次的归一化荧光强度，作为跨波导的距离的函数(以微米为单位)。
这些结果证明了来自100nm珠的更强的荧光响应，即，它们被波导消逝场所激发。2μm珠只能用来自波导的散射光激发。
因此，图9A-C和对应的图9D示出了平面波导装置和颗粒之间的选择性相互作用，其中防止了直径大于预定尺寸的颗粒与波导装置的光相互作用。
在图10中，示出了全血(WB)和血浆中不同血红蛋白(Hb)浓度的测量值。光谱仪参考光谱被缩放并在背景上绘制。更详细地，图10示出了全血样品(中间线)及其血浆对应物(底部线)的测量结果，以及使用1cm比色皿的光谱仪参考测量结果(上灰色虚线)，其中后者在幅度上按比例缩放以进行比较。使用的最大Hb浓度为200mg/dL，相当于约0.7％的溶血。每个数据点基于三次测量。在0和100mg/dL Hb浓度下，变异系数(CoV)分别为1.65％和0.86％，显示出传感器的优异重复性。另一方面，比较全血和血浆测量结果，我们观察到非常好的重叠，这表明过滤非常有效。WB样品的吸光度略高于血浆的吸光度，这可归因于可被体内的红细胞吸收的光的非特异性散射。
附图标记
PWD.平面波导装置
FLD.流体
WGL.波导层
GPA.耦合组件
FTL.过滤层
ICPA.输入耦合元件
OCPA.输出耦合元件
FZN.流体区
IAR.相互作用区域
FOP.过滤器开口
PAR.颗粒
DOP.传播方向
LCL.下包覆层
UCL.上包覆层
LSE.光传感器
LSO.光源
LTB.光束

Claims (27)

1.一种用于与流体(FLD)相互作用的平面波导装置(PWD)，所述平面波导装置(PWD)包括
-波导层(WGL)，用于支持光学限制，
-耦合组件(CPA)，用于光进出所述波导层(WGL)的输入耦合和输出耦合，
-流体区(FZN)，用于容纳所述流体(FLD)，
-过滤层(FTL)，在所述波导层(WGL)的相互作用区域(IAR)中布置在所述流体区(FZN)和所述波导层(WGL)之间，
其中所述过滤层(FTL)包括过滤器开口(FOP)，所述过滤器开口布置为允许所述流体(FLD)与由所述波导层(WGL)引导的光的消逝场相互作用，
其中所述过滤器开口(FOP)适于防止大于预定尺寸的颗粒(PAR)与所述消逝场相互作用，
其中所述过滤器开口(FOP)布置为线开口，所述线开口的纵向方向平行于由所述波导层(WGL)引导的光的传播方向(DOP)，
其中所述平面波导装置(PWD)还包括邻近所述波导层(WGL)的包覆层(UCL)，
其中所述过滤层(FTL)具有第一折射率，其中所述波导层(WGL)具有第二折射率，且其中所述第一折射率低于所述第二折射率，以及
其中所述包覆层(UCL)的折射率低于所述波导层(WGL)的折射率。
2.如权利要求1所述的平面波导装置(PWD)，其中所述包覆层(UCL)和所述过滤层(FTL)由相同的材料制成。
3.如权利要求1所述的平面波导装置(PWD)，其中所述第一折射率比所述第二折射率至少低3％。
4.如权利要求1所述的平面波导装置(PWD)，其中所述过滤器开口(FOP)由至多10微米的线间距限定。
5.如权利要求4所述的平面波导装置(PWD)，其中所述线间距至多5微米。
6.如权利要求4所述的平面波导装置(PWD)，其中所述线间距至多1微米。
7.如权利要求4所述的平面波导装置(PWD)，其中所述线间距至多800纳米。
8.如权利要求4所述的平面波导装置(PWD)，其中所述线间距至多200纳米。
9.如权利要求4所述的平面波导装置(PWD)，其中所述线间距至多100纳米。
10.如权利要求1所述的平面波导装置(PWD)，其中所述耦合组件(CPA)包括用于光进入所述波导层(WGL)的输入耦合的输入耦合元件(ICPA)和用于光离开所述波导层(WGL)的输出耦合的输出耦合元件(OCPA)，所述相互作用区域(IAR)在所述输入耦合元件(ICPA)和所述输出耦合元件(OCPA)之间延伸。
11.如权利要求1所述的平面波导装置(PWD)，其中所述耦合组件(CPA)包括用于光进入所述波导层(WGL)的输入耦合的输入耦合元件(ICPA)和用于光离开所述波导层(WGL)的输出耦合的输出耦合元件(OCPA)，所述相互作用区域(IAR)在所述输入耦合元件(ICPA)和所述输出耦合元件(OCPA)之间且还在所述输出耦合元件(OCPA)上方延伸。
12.如权利要求1-9中任一项所述的平面波导装置(PWD)，其中所述耦合组件(CPA)在所述相互作用区域(IAR)的至少一部分上方延伸。
13.如权利要求12所述的平面波导装置(PWD)，其中所述耦合组件(CPA)在整个所述相互作用区域(IAR)的上方延伸。
14.如权利要求10或11所述的平面波导装置(PWD)，其中所述输出耦合元件(OCPA)包括色散元件。
15.如权利要求14所述的平面波导装置(PWD)，其中所述输出耦合元件(OCPA)包括光栅。
16.如权利要求1-11中任一项所述的平面波导装置(PWD)，其中所述平面波导装置(PWD)还包括作为光源(LSO)的激光装置。
17.如权利要求1-11中任一项所述的平面波导装置(PWD)，其中所述平面波导装置(PWD)还包括作为光源(LSO)的宽带光源。
18.如权利要求1-11中任一项所述的平面波导装置(PWD)，其中所述平面波导装置(PWD)还包括基于阵列的光传感器(LSE)。
19.如权利要求18所述的平面波导装置(PWD)，其中所述基于阵列的光传感器为CMOS传感器、CCD传感器或光电二极管阵列传感器。
20.如权利要求1-11中任一项所述的平面波导装置(PWD)，其中所述平面波导装置(PWD)还包括作为光传感器(LSE)的光学光谱仪。
21.如权利要求1-11中任一项所述的平面波导装置(PWD)，其中所述流体(FLD)是液体。
22.如权利要求21所述的平面波导装置(PWD)，其中所述液体是血液。
23.如权利要求1-11中任一项所述的平面波导装置(PWD)，其中所述平面波导装置(PWD)还包括形成所述流体区(FZN)的流体流动通道。
24.如权利要求23所述的平面波导装置(PWD)，其中所述流体流动通道是流动池。
25.如权利要求1-24中任一项所述的平面波导装置(PWD)的检测血液溶血的用途。
26.一种使光与流体(FLD)相互作用的方法，所述方法包括以下步骤
-将光耦合到波导层(WGL)中，
-在所述波导层(WGL)内引导光，在所述波导层(WGL)的外部形成消逝场，
-使被引导的光的消逝场与所述流体(FLD)相互作用，
-使用过滤层(FTL)过滤所述流体(FLD)，以防止大于预定尺寸的颗粒(PAR)与所述消逝场相互作用，所述过滤层包括过滤器开口(FOP)，所述过滤器开口布置为允许所述流体(FLD)与由所述波导层(WGL)引导的光的消逝场相互作用，
-将经相互作用的光从所述波导层(WGL)耦合出来，
其中所述过滤器开口(FOP)布置为线开口，所述线开口的纵向方向平行于由所述波导层(WGL)引导的光的传播方向(DOP)，
其中存在邻近所述波导层(WGL)的包覆层(UCL)，
其中所述过滤层(FTL)具有第一折射率，其中所述波导层(WGL)具有第二折射率，且其中所述第一折射率低于所述第二折射率，以及
其中所述包覆层(UCL)的折射率低于所述波导层(WGL)的折射率。
27.如权利要求26所述的方法，其中所述方法还包括测量输出耦合光的至少一个特性的步骤。
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