CN111033236A - 识别标签以及识别对象的方法 - Google Patents
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Abstract
一种识别标签(1)具有第一类型的至少一个分子(3)和第二类型的至少一个分子(4)。分子(3，4)能够根据
共振能量转移进行能量转移，其中一种类型是供体分子，而另一种类型是受体分子。标签(1)具有基板(5)，基板具有第二类型的分子(4)可位于的多个位置(6)。当第一类型的分子(3)移动跨越位置(6)时由受体分子(4)发射的光强度根据第二类型的分子(4)是否位于所述位置(6)而变化。
Description
技术领域
本公开涉及识别标签、多个识别标签以及识别对象的方法。
背景技术
可以将识别标签固定到某个对象，以便使得能够识别该对象。一些识别标签提供将从标签获得的某个识别信号。在此类情况下，布置不同的标签以提供不同的识别信号。
发明内容
根据本文公开的第一方面，提供了一种识别标签，该标签包括：
第一类型的至少一个分子；
第二类型的至少一个分子；
第一和第二类型的分子能够根据
共振能量转移进行能量转移，其中第一类型和第二类型的分子中的一种是供体分子，而第一类型和第二类型的分子中的另一种是受体分子；以及
基板，第二类型的分子承载在该基板上；
基板具有能安置第二类型的分子的多个位置；
第二类型的分子被安置在所述位置中的一个位置中，在所述位置中的至少一个其它位置中没有第二类型的分子；
第一类型的分子可以移动跨越基板的位置，使得在第一类型的分子和第二类型的分子之间可以发生根据
共振能量转移的能量转移，从而使得一个或多个受体分子发射光；
由此，当第一类型的分子移动跨越所述位置时由一个或多个受体分子发射的光强度根据第二类型的分子是否被安置在所述位置而变化。
在示例中，基板的位置线性地布置，该布置使得第一类型的分子的移动是跨越线性地布置的位置的来回平移移动。
在示例中，识别标签包括第二类型的多个分子，第二类型的分子位于基板中不同的相应位置处。
在示例中，识别标签包括用于允许压力波进入的开口，该压力波在使用中驱动第一类型的分子的移动。
在示例中，识别标签包括承载第一类型的分子的载体。
在示例中，第一类型的分子是供体分子，而第二类型的分子是受体分子，由此供体分子跨越受体分子的移动使得受体分子发射光。
根据本文公开的第二方面，提供了一种识别具有识别标签的对象的方法，该标签包括第一类型的至少一个分子和第二类型的至少一个分子以及具有可安置第二类型的分子的多个位置的基板，第一和第二类型的分子能够根据
共振能量转移进行能量转移，其中第一类型和第二类型的分子中的一种是供体分子，而第一类型和第二类型的分子中的另一种是受体分子，第二类型的分子被安置在所述位置中的一个位置中，所述位置中的至少一个其它位置中没有第二类型的分子，该方法包括：
使第一类型的分子移动跨越基板的位置，使得在第一类型的分子和第二类型的分子之间可以发生根据
共振能量转移的能量转移，从而使得一个或多个受体分子发射光；
检测当第一类型的分子移动跨越位置时由一个或多个受体分子发射的光；以及
根据当第一类型的分子移动跨越位置时由一个或多个受体分子发射的光强度的图案来识别对象。
在示例中，基板的位置线性地布置，并且第一类型的分子的移动是跨越线性地布置的位置的来回平移移动。
在示例中，标签包括多个第二类型的分子，第二类型的分子被安置在基板中不同的相应位置处。
在示例中，第一类型的分子的移动由压力波驱动。
根据本文公开的第三方面，提供了多个识别标签，其中：
每个标签包括：
第一类型的至少一个分子；
第二类型的至少一个分子；
第一和第二类型的分子能够根据
共振能量转移进行能量转移，其中第一类型和第二类型的分子中的一种是供体分子，而第一类型和第二类型的分子中的另一种是受体分子；以及
基板，在其上承载第二类型的分子，该基板具有可安置第二类型的分子的多个位置；
第一类型的分子可以移动跨越基板的位置，使得在第一类型的分子和第二类型的分子之间可以发生根据
共振能量转移的能量转移，从而使得一个或多个受体分子发射光；
其中，对于至少两个识别标签，第二类型的分子被安置在相应识别标签中的不同位置，使得当第一类型的分子移动跨越相应识别标签中的位置时由两个识别标签的受体分子发射的光强度的图案是不同的。
在示例中，对于识别标签中的至少一些，基板的位置被线性地布置，该布置使得第一类型的分子的移动是跨越线性地布置的位置来回平移移动。
在示例中，对于识别标签中的至少一些，标签包括第二类型的多个分子，第二类型的分子被安置在基板中不同的相应位置处。
在示例中，对于识别标签中的至少一些，标签包括用于允许压力波进入的开口，该压力波在使用中驱动第一类型的分子的移动。
在示例中，第一类型的分子是供体分子，而第二类型的分子是受体分子，由此供体分子跨越受体分子的移动使得受体分子发射光。
附图说明
为了帮助理解本公开并示出如何将实施例付诸实施，通过示例的方式参考附图，其中：
图1示出了根据本公开的识别标签的示例的示意性透视图；
图2A和2B示意性地示出了根据本公开的识别标签的两个示例的侧视图；以及
图3A和3B示出了图2A和2B的示例性识别标签的输出光强度相对于时间的图。
具体实施方式
首先通过介绍的方式，参考已知的“
共振能量转移”(FRET)。在FRET中，能量从第一光敏分子(“供体”分子)转移到第二光敏分子(“受体”分子)。供体分子最初处于电子激发状态，并且可以通过入射在供体分子上的光进入该激发状态。当供体分子足够接近受体分子时，被激发的供体分子的能量通过非辐射偶极-偶极耦合转移到受体分子。结果，受体分子然后可以发射光。从供体分子到受体分子的能量转移效率与供体分子和受体分子之间距离的六次方成反比。这意味着FRET对供体分子和受体分子之间距离的微小变化极为敏感。导致FRET发生的供体分子和受体分子之间的距离远小于所传送的光的波长，并且可以在例如1至10nm的范围内。
在本文描述的示例中，提供了利用FRET发射光的识别标签。所发射的光强度的图案取决于识别标签中分子的布置，如将在下面更详细讨论的。不同的标签具有不同的分子布置，使得由不同标签发射的光强度的图案不同。这使得能够进行视觉识别，这种视觉识别可以由眼睛和/或由具有适当处理的某种成像装置来进行。
现在参考附图，将描述根据实施例的识别标签的示例。这些图未按比例绘制，有些仅显示了识别标签的一部分。
图1示出了识别标签1的示例的一部分的透视图，图2A和2B示意性示出了识别标签1的两个示例的侧视图。
识别标签1具有用于容纳识别标签1的工作部分的容器或壳体2(参见图2A和2B)。在这个示例中，壳体2由也是轻质的坚固材料形成。例如，多种塑料或金属是合适的。优选的材料是石墨烯。石墨烯由以重复的六边形图案布置的一层或多层碳原子形成，并且虽然具有原子水平的厚度，但已知是非常坚固、轻质和耐用的材料，并且能够承受高温下的工作或使用。可以使用其它所谓的2D拓扑材料或“单层”材料。为了清楚起见，在图1中未指示壳体2。
识别标签1具有至少一个第一类型的分子3和至少一个第二类型的分子4。第一和第二类型的分子3、4能够根据
共振能量转移(FRET)进行能量转移。因而，第一类型和第二类型的分子中的一个是供体分子，而第一类型和第二类型的分子中的另一个是受体分子。即，第一类型的分子3可以是供体分子，而第二类型的分子4可以是受体分子，反之亦然。第一类型的分子3是供体分子还是受体分子以及相应地第二类型的分子4是受体分子还是供体分子是设计选择，取决于例如识别标签1所需的特性以及制造便利性。为了方便和简洁起见，本文将参考第一类型的(一个或多个)分子3为(一个或多个)供体分子3，第二类型的(一个或多个)分子4为(一个或多个)受体分子4，应该理解的是，在其它示例中，角色可以颠倒。
受体分子4被基板5支撑或承载。受体分子基板5可以是单层或多层。在这个示例中，受体分子基板5由也是轻质的坚固材料形成。例如，多种塑料或金属是合适的。但是，优选的材料是所谓的2D拓扑材料或“单层”材料。示例包括石墨烯、MoS2、黑磷或磷烯等。在这个示例中，受体分子基板5被固定以防移动(在这个示例中，归因于受体分子基板5的总体上刚性的结构以及受体分子基板5的材料)。在其它示例中，受体分子基板5可以被布置为以与供体分子基板或载体7的共振频率不同的共振频率共振(进一步参见下文)。
用于(一个或多个)受体分子4的基板5具有多个位置6，(一个或多个)受体分子4可以被安置在这些位置。如将在下面进一步解释的，并不是所有位置6都可以具有受体分子4。从位置6仅定义可以安置(一个或多个)受体分子4的位置的意义上来说，位置6可以是名义上的(并且例如不需要由基板5的某种物理布置来定义)。为了清楚和简单起见，在附图中指示了六个位置6，但是在实践中位置的数量可以小于或大于六个。在图2A和2B中将位置6标为a)至f)。
供体分子3由另一个基板或载体7支撑或承载。供体分子载体或基板7可以是单层或多层。供体分子载体7可以由例如金属或塑料形成。但是，优选的材料是所谓的2D拓扑材料或“单层”材料。示例包括石墨烯、MoS2、黑磷或磷等。
供体分子载体7是可移动的，以使供体分子3顺序地移动跨越受体分子基板5的位置6。在示例中，识别标签1被布置为使得供体分子载体7可通过传入的压力波(诸如声波)移动。例如，壳体2可以具有开口8，开口8一般沿着供体分子载体7的移动方向布置，以允许声波9进入壳体2中从而承载在供体分子载体7上。承载在供体分子载体7上的声波9导致供体分子载体7跨受体分子基板5来回往复移动。供体分子载体7可以被布置为以与传入的声音或压力波9的频率相同或对应的共振频率共振。
识别标签1被布置为使得光可以入射在供体分子3上。取决于供体分子3的材料和/或具体要求，光可以是环境光，这意味着识别标签1不要求电力并且可以是无源设备。可替代地或附加地，入射光可以来自例如可被供电的具体光源(未示出)。在这个示例中，识别标签1具有一个或多个用于使光入射在供体分子3上的入射窗10。入射在供体分子3上的光使供体分子3过渡到电子激发状态。
当供体分子载体7移动时，供体分子3被驱动以顺序地移动跨越受体分子基板5的位置6。如以上所讨论的，当电子激发的供体分子3足够接近(诸如，在例如1至10nm左右的距离之内)位于位置6之一上的受体分子4时，根据FRET的能量转移发生。即，一旦供体分子3与受体分子4之间的距离d小于FRET所需的最小距离，能量就通过供体分子3发射被对应的受体分子4接受的光子而转移。当受体分子4接收或接受由供体分子发射的光子时，受体分子4进入电子激发状态。(实际上，FRET类似于近场通信，因为相互作用的半径远小于所发射的光的波长。照此，由供体分子3发射的光子是虚拟光子，其可以立即被接收受体分子4吸收。随后，并且通常实际上是瞬间，受体分子4通过发射(真实)光子而自发地松弛至较低状态或静息(rest)状态。由受体分子4发射的光子通过出射窗离开壳体2，该出射窗可以是允许光进入以激发供体分子3的同一个窗口10，或者是壳体2中的一个或多个分开的窗口。壳体2例如可以至少沿着一侧或全部完全敞开或对光透明(至少在相关频率下)。重要的是，光可以进入壳体2并且可以离开壳体2。如在这个示例中，声波9被用于驱动供体分子3的移动，识别标签1可以被视为声-光识别标签。
在这方面，这种布置具有许多优点。识别标签1可以以近似纳米级维度制造。识别标签1对声音的不同音量(振幅)的灵敏度可以通过例如设置或改变在供体分子3移动跨越受体分子4时供体分子3与受体分子4之间的最大和/或最小间隔来设置或改变。
现在比较图2A与2B，受体分子4在两个识别标签1的基板5中不同地布置。即，受体分子4位于相应识别标签1中的不同位置6中。这样的效果是，当供体分子3移动跨越相应识别标签1中的位置6时由两个识别标签1的受体分子4发射的光强度的图案是不同的。这使得能够根据当供体分子3移动跨越位置6时由(一个或多个)受体分子4发射的光强度的图案来识别标签1，并且因此识别固定有标签1的对象。
为了看到这一点，现在还将参考图3A和3B，其示出了对于图2A和2B的示例性识别标签1的输出光强度相对于时间的曲线图。
首先参考图2A中所示的标签1的示例和对应的图3A中所示的输出光强度的图，在时间0(零)，供体分子3的位置接近受体分子基板5的位置a)。在这个示例中，受体分子4位于受体分子基板5的位置a)。此时，供体分子3与位置a)处的受体分子4之间的距离d小于FRET发生所需的距离。因而，如图3A中可以看到的，在时间0，光由受体分子4输出。
然后，在这个示例中，在时间1，供体分子3已经移动到下一个位置b)上。在这个示例中，在位置b)处不存在受体分子4。因此，如图3A中可以看到的，没有光输出。
随后，在时间2，供体分子3已经移动到下一个位置c)上。在这个示例中，受体分子4位于受体分子基板5的位置c)处。此时，供体分子3与位置c)处的受体分子之间的距离d小于FRET发生所需的距离。因而，在时间2，如图3A中可以看到的，由受体分子4输出光。
在这个示例中，供体分子3可以继续在相同的方向上稍微移动，但是随后在时间3返回到接近第三位置c)。即，在这个示例中，供体分子3在位置c)上来回移动。因而，在时间3，供体分子3与位置c)处的受体分子之间的距离d再次小于FRET发生所需的距离。因而，在时间3，如图3A中可以看到的，光再次由受体分子4输出。
随着供体分子4依次移动到位置b)、a)、d)、e)和f)上，这个过程继续。在这种情况下，其结果是在时间4(与位置b对应)处不发射光，在时间5(与存在受体分子4的位置a)对应)发射光，并且在时间6、7和8(与位不存在受体分子4的置d)、e)和f)对应)不发射光。然后，供体分子4的移动恢复为依次在位置f)、e)和d)上移动。再次，没有受体分子4位于位置f)、e)和d)处，因此在时间9、10和11不发射光。
在这个示例中，在受体分子基板5中具有六个位置6，供体分子3返回到接近位置a)的起始位置，与图3A中的时间12对应，在这个时间，位置a)处的受体分子4再次发射光。供体分子3可以继续移动，从而导致受体分子4发射的光强度的图案重复，或者供体分子3的移动可以在这个时候停止。
因而，受体分子4在受体分子基板5的位置6中的具体布置(其中一个或多个位置6充满受体分子4，而一个或多个位置6未填充受体分子4)导致当供体分子3移动跨越位置6时由识别标签1输出的具体且对应的光强度图案。因此，对于位置6中的受体分子4具有不同布置的不同标签1，光强度的图案将是不同的。这使得能够识别特定标签1，从而使得能够识别固定有标签1的对象。
这可以通过参考图2B中所示的标签1的第二示例以及对应的图3B中所示的输出光强度的图来看出。在图2B的示例中，受体分子4位于位置c)和f)处。从供体分子3在时间0位于位置a)邻近并且首先移动到位置b)上开始，由于没有受体分子4位于位置a)和b)处，因此在时间0和1不发射光。在时间2和3处，位于位置c)处的受体分子4发射光。然后，当供体分子3依次在空的位置b)、a)、d)和e)上移动时，在时间4、5、6或7不发射光。然后，当供体分子3在位于位置f)处的受体分子3上来回移动时，在时间8和9发射光。这个过程继续，其中当供体分子3在空的位置e)和d)上移动时在时间10和11不发射光。供体分子3可以继续移动，从而导致受体分子4发射的光强度的图案重复，或者供体分子3的移动可以在这个时候停止。
由具有受体分子4的不同布置的标签1发射的光强度的不同图案可以被眼睛检测到。将认识到的是，在实践当中，光强度的图案将对眼睛呈现为“闪烁”图案，并且对于人类观察者而言足以判断不同的图案。可替代地或附加地，可以通过诸如(数字)相机之类的某种成像装置来检测由具有受体分子4的不同布置的标签1发射的光强度的不同图案，并执行适当的图像处理以辨别不同的图案。
虽然在以上示例中，在标签1中的位置6处始终有至少一个受体分子4，并且在标签1中始终有一个空位置6，但是一些标签1可以所有位置6都充满受体分子4并且一些标签1可以没有充满受体分子4的位置6。
供体分子3和受体分子4中的至少一者可以是量子点的形式。量子点是具有量子特性的纳米级颗粒，量子特性可以包括它们的光学和/或电子特性，这些特性由于量子效应而不同于由相似材料制成、但具有更大尺度的颗粒的特性。因此，例如，可以将供体分子3和受体分子4中的至少一者涂覆到纳米级颗粒上或以其它方式实施为量子点，并且通过调整纳米级颗粒的一个或多个特性(诸如其尺寸和/或形状)，供体分子3和/或受体分子4的光学特性可以根据选择而改变。
一个或多个窗口10可以设有滤光器和/或透镜。这些允许入射到供体分子3上的光和由受体分子4发射的光的特性被相应地控制。
识别标签的众所周知且常用的类型是RFID(射频识别)标签。与RFID标签相比，本文所述的识别标签1的一些示例具有许多优点。首先，本文所述的至少一些识别标签1使用声能和环境光能来进行能量收集和激励以及频率调制。环境声学信号和光强度都可以是随机的或类似噪声的。另一方面，即使RFID标签是“无源”标签，RFID标签也至少需要特定的RF辐射。其次，本文所述的至少一些识别标签1可以以纳米级(10-9m)或微米级(10-6m)维度来制造，而RFID标签往往具有几毫米的尺寸。第三，本文所述的至少一些识别标签1可以比RFID标签轻、耐用并且耐高温(甚至低温)得多。
本文描述的示例将被理解为本发明的实施例的说明性示例。设想了进一步的实施例和示例。关于任何一个示例或实施例描述的任何特征都可以单独使用或与其它特征组合使用。此外，关于任何一个示例或实施例描述的任何特征也可以与任何其它示例或实施例的一个或多个特征或者任何其它示例或实施例的任何组合结合使用。此外，在权利要求书中定义的本发明的范围内，也可以采用未在本文描述的等同物和修改。
Claims (15)
1.一种识别标签(1)，标签(1)包括：
第一类型的至少一个分子(3)；
第二类型的至少一个分子(4)；
第一类型和第二类型的分子(3，4)能够根据
共振能量转移进行能量转移，其中第一类型和第二类型的分子中的一种是供体分子(3)，而第一类型和第二类型的分子中的另一种是受体分子(4)；以及
基板(5)，第二类型的分子(4)承载在该基板(5)上；
基板(5)具有第二类型的分子(4)能位于的多个位置(6)；
第二类型的分子(4)位于所述位置(6)中的一个位置(6)，所述位置(6)中的至少一个其它位置(6)中没有第二类型的分子(4)；
第一类型的分子(3)能移动跨越基板(5)的所述位置(6)，使得在第一类型的分子(3)和第二类型的分子(4)之间能够发生根据
共振能量转移的能量转移，从而使一个或多个受体分子发射光；
由此，当第一类型的分子(3)移动跨越所述位置(6)时由一个或多个受体分子(4)发射的光强度根据第二类型的分子(4)是否位于所述位置(6)而变化。
2.根据权利要求1所述的识别标签(1)，其中基板(5)的所述位置(6)线性地布置，该布置使得第一类型的分子(3)的移动是跨越线性地布置的所述位置(6)的来回平移移动。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的识别标签(1)，包括多个第二类型的分子(4)，第二类型的分子(4)位于基板(5)中的不同的相应位置(6)。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的识别标签(1)，包括用于允许压力波(9)进入的开口(8)，该压力波(9)在使用中驱动第一类型的分子(3)的移动。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的识别标签(1)，包括承载第一类型的分子(3)的载体(7)。
6.根据权利要求1至5中的任一项的识别标签(1)，其中第一类型的分子是供体分子(3)，而第二类型的分子是受体分子(4)，由此供体分子(3)跨越受体分子(4)的移动使受体分子(4)发射光。
7.一种识别具有识别标签(1)的对象的方法，标签(1)包括第一类型的至少一个分子(3)和第二类型的至少一个分子(4)以及基板(5)，其中第一类型和第二类型的分子(3，4)能够根据
共振能量转移进行能量转移，其中第一类型和第二类型的分子中的一种是供体分子(3)，而第一类型和第二类型的分子中的另一种是受体分子(4)，基板(5)具有第二类型的分子(4)能位于的多个位置(6)，第二类型的分子(4)位于所述位置(6)中的一个位置(6)，所述位置(6)中至少一个其它位置(6)中没有第二类型的分子(4)，该方法包括：
使第一类型的分子(3)移动跨越基板(5)的所述位置(6)，使得在第一类型的分子(3)和第二类型的分子(4)之间能够发生根据
共振能量转移的能量转移，从而使一个或多个受体分子发射光；
当第一类型的分子(3)移动跨越所述位置(6)时，检测由一个或多个受体分子(4)发射的光；以及
根据当第一类型的分子(3)移动跨越位置(6)时由一个或多个受体分子(4)发射的光强度的图案来识别对象。
8.根据权利要求7所述的方法，其中基板(5)的所述位置(6)线性地布置，并且第一类型的分子(3)的移动是跨越线性地布置的所述位置(6)来回平移移动。
9.根据权利要求7或权利要求8所述的方法，其中所述标签(1)包括多个第二类型的分子(4)，第二类型的分子(4)位于基板(5)中不同的相应位置(6)处。
10.根据权利要求7至9中的任一项所述的方法，其中第一类型的分子(3)的移动由压力波驱动。
11.多个识别标签(1)，其中：
每个标签(1)包括：
第一类型的至少一个分子(3)；
第二类型的至少一个分子(4)；
第一类型和第二类型的分子(3，4)能够根据
共振能量转移进行能量转移，其中第一类型和第二类型的分子中的一种是供体分子(3)，而第一类型和第二类型的分子中的另一种是受体分子(4)；以及
基板(5)，第二类型的分子(4)承载在该基板(5)上，该基板(5)具有第二类型的分子(4)能位于的多个位置(6)；
第一类型的分子(3)能移动跨越基板(5)的所述位置(6)，使得在第一类型的分子(3)和位于基板(5)的所述位置(6)中的一个位置(6)的第二类型的分子(4)之间能够发生根据
共振能量转移的能量转移，从而使受体分子(4)发射光；
其中，对于至少两个识别标签(1)，第二类型的分子(4)位于相应识别标签(1)中的不同位置(6)处，使得当第一类型的分子(3)移动跨越相应识别标签(1)中的所述位置(6)时由所述两个识别标签(1)的受体分子(4)发射的光强度的图案是不同的。
12.根据权利要求11所述的多个识别标签(1)，其中，对于识别标签(1)中的至少一些，基板(5)的所述位置(6)线性地布置，该布置使得第一类型的分子(3)的移动是跨越线性地布置的所述位置(6)的来回平移移动。
13.根据权利要求11或权利要求12所述的多个识别标签(1)，其中，对于识别标签(1)中的至少一些，标签(1)包括多个第二类型的分子(4)，第二类型的分子(4)位于基板(5)中不同的相应位置(6)处。
14.根据权利要求11至13中的任一项所述的多个识别标签(1)，其中，对于识别标签(1)中的至少一些，标签(1)包括用于允许压力波进入的开口(8)，该压力波在使用中驱动第一类型的分子(3)的移动。
15.根据权利要求11至14中的任一项所述的多个识别标签(1)，其中第一类型的分子是供体分子(3)，而第二类型的分子是受体分子(4)，由此供体分子(3)跨越受体分子(4)的移动使受体分子发射光。
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