CN1842703A - 全息传感器 - Google Patents

Abstract

一种传感器(8)，包括介质和位于整个介质中的全息图，其中介质的物理特性变化导致全息图的光学特征发生变化，并且其中全息图被形成为非平面镜。

Description

全息传感器

技术领域

本发明涉及全息传感器。

背景技术

WO-A-95/26499公开了一种全息传感器。该传感器包括全息支持介质(support medium)以及位于整个介质的全息图。支持介质与分析物相互作用，使得介质物理特性发生变化。该变化引起全息元件的光学特征如可偏转性、反射率、折射率或吸收度发生变化。在重播全息图时(如使用入射宽波、非电离电磁辐射)如果出现任何变化，那么使用光学检测器会观察到如颜色变化。光学检测器可以是光谱仪，也可仅是肉眼。

WO-A-99/63408描述了制造全息传感器的另一种方法。使用了序列处理技术，其中首先制造聚合物膜，随后添加感光卤化银微粒。通过向聚合基体中扩散可溶性盐引入这些微粒，他们在其中起反应形成不可溶感光沉淀物。然后全息图像被记录下来。

上述全息传感器是通过使用平面镜记录全息图而制成，这是在装有适当液体的槽中全息拍摄的。另外，该传感器的支持介质是平面的。如果在光散射相当大如皮下环境中使用该传感器，那么该装置可能并不总是有效。另外，为了检测反射光，光学检测器必须被放置在相对传感器的特定位置。

发明内容

本发明是基于上述问题可以通过使全息图成为非平面镜的方式解决这一认识的。这可以通过多种方式实现，如使用非平面镜和使用非平面支持介质来记录全息图。

因此，本发明的第一方面是包括介质和位于其中的全息图的传感器，其中介质的物理特性变化会导致全息图的光学特征发生变化，并且其中全息图形成非平面镜。

本发明的第二方面是本发明传感器的制造方法，包括使全息图在介质中成为非平面镜。

本发明的另一方面是分析物的检测方法，包括用光远程询问本发明传感器的全息元件；以及检测传感器的光学特征中发生的任何变化。

本发明的全息传感器的设计能精确按预定反射入射光，本发明可以避免要求将光学检测器“引入”传感器。事实上，本发明提供的传感器能从较大范围的角度和距离内询问。本发明的传感器可以作为皮下植入物或在安全中如作为鉴定标记使用。

附图说明

图1和图2是分别使用凹面镜和隅角立方棱镜制造本发明传感器的示意图。

图3是适用于询问本发明传感器的探针侧视图。

图4是图1中传感器被询问的示意图。

图5与图4相同，但传感器处于在皮下环境中。

图6是使用凹面镜制成的本发明环形传感器的平面图。

图7是图6中传感器被询问的示意图。

图8和图9是本发明不同实施例的平面图，各传感器都适合同时检测多个分析物。

图10是作为凹面镜形成的全息图的射线图。

图11是本发明传感器制造方法的示意图。

图12是示出本发明传感器的角公差的图。

具体实施方式

可以通过多种方式使全息图形成非平面镜。可以理解本文描述的不同技术可以单独使用也可组合使用达到效果。

本发明的优选实施例包括使用非平面镜记录全息图。所选镜的类型取决于其最终所得全息图对入射光的要求效果。已知多种不同类型的非平面镜，例如凹面镜和凸面镜(如半柱面形镜)、反射珠(reflectivebeads)等等。或者镜也可以棱镜，例如隅角立方棱镜(corner cubeprism)、直角棱镜(right angled prism)、波罗棱镜、阿米西棱镜、道威棱镜、五棱镜、菱形棱镜或Lernan-Springer棱镜

在优选实施例中，镜是凹面镜。这允许制造对入射光有聚焦效应的传感器。该传感器潜在使用范围广，例如作为可以用光导纤维束方便询问的小型皮下植入物来使用。另外，为了克服光散射问题这一主要障碍，可以调整重播波长范围扩展到近红外区。使用凹面镜的另一好处在于全息图一般不会聚焦于多余的镜面白光。而且如果从对面观察，凹面全息图对入射光有凹面镜作用，反之亦然。

另一优选实施例包括使用凸面镜产生焦距增加并且对入射光有校准作用的全息图。增加的焦距是要求远程检测如检测燃料箱中的分析物的应用中特别需要的。

非平面镜为能实现回射的类型，如隅角立方棱镜。隅角立方棱镜通常将达到一定(“公差”)角的进入棱镜的任何光反射回光源，不考虑棱镜的定位。因而使用隅角立方棱镜记录的全息图对入射光可能有回射作用。由于不需在相对传感器的特定位置放置光学检测器，该传感器是有优势的。使用隅角立方棱镜的另一益处是与常规传感器相比较，该传感器的任何响应都可在较大范围角度(即较大角公差)内观察到。

回射全息传感器可用于检测有大气层的星球的大气情况(如湿度、温度、二氧化碳或其他化学活性气体水平)的变化。可用准直光束或其他远程光源询问传感器实现检测。该传感器也可用于水下环境的检测。例如可以检测pH值或离子水平的变化。

非平面镜也可选择由一个或多个反射珠组成。反射珠可用于增加反射光的强度，也可允许回射。

优选镜为电介质材料，因为电介质材料反射效率高。或者可以使用抛物面镜，来减少色像差和球面像差的影响。

全息图可在非平面支持介质中记录。在这种情况下，镜不必是非平面的，因为支持介质的几何形状决定了全息图的几何形状。

记录过程中，可将透镜和孔/障碍物放置在全息记录材料前来记录全息图。记录全息图时，辐射首先经过孔/障碍物，之后经过记录材料，最后到达镜面。因而，最终获得的全息图有具体的衍射图形。由于该效果会产生明确界定的特定图案的重播光，因此该效果是需要的。也可使用透镜来改变物体尺寸、校准光或给出圆波束。

本发明使用的全息传感器通常包括全息支持介质以及位于整个介质的全息图。该支持介质与分析物相互作用，使得介质物理特性发生变化。该变化引起全息元件的光学特征如可偏振性、反射率、折射率或吸收度发生变化。在使用入射宽波带、非电离电磁辐射重播全息图时如果出现任何变化，那么可以观察到如颜色或强度变化。

有多种基本方法可以改变物理特性，因而改变光学特征。变化的物理特性优选为全息元件的尺寸。可以通过将特殊基团引入到支持基体，这些基团与分析物相互作用而发生构象变化，从而引起支持介质的扩大或缩小来实现该变化。该基团优选为分析物类的特定结合共轭物(binding conjugate)。改变物理特性的另一方法是改变支持介质中的活性水含量。

全息传感器可通过改进支持介质的成分用于多种分析物的检测。该介质优选包括聚合物基体，必须优化其成分以包括获得高质量膜，即有形成全息条文的一致的基体膜。基体可以由如(甲基)丙烯酰胺和/或(甲基)丙烯酸酯衍生的单体共聚作用形成，也可交联形成。特别地，单体HEMA(甲基丙烯酸羟乙酯)容易聚合且可交联。由于聚HEMA可膨胀、亲水并且广泛生物相容性，聚HEMA是通用的支持材料。

全息支持介质的其他示例有明胶、卡帕卡拉胶、琼胶、琼脂糖、聚乙烯醇(PVA)、(粗略分类的)溶胶-凝胶、(粗略分类的)水凝胶以及丙烯酸脂。其他材料还有聚糖、蛋白质和蛋白质材料，低聚核苷酸、RNA、DNA、纤维素、醋酸纤维素、聚酰胺、聚酰亚胺、聚丙烯酰胺。明胶是用于支持感光类如卤化银微粒的标准基体材料。明胶也可通过铬(III)离子光交联于凝胶链上的羧基之间。

可以根据WO-A-95/26499和Wo-A-99/63408公开的方法制备传感器。附图中图1示出了为此目的所做的适当装置。另一种方法是PCT/GB 04/00976所述的无银双聚合作用。这些说明书内容包括在此以供参考。

现在参照附图，仅通过示例说明本发明。

图1示出了如何使全息图形成弯曲的凹面镜。全息干版1和凹面镜2处于曝光槽3中。使用扩散激光光束4记录全息图像。本文使用的术语“凹”是广义上的，用于描述任何有聚焦作用的装置。镜面可以是如球面、非球面(如抛物线)，也可包括相互成一定角度的平面中心和边缘部分。如果该镜面是通过上述无银双聚合方法制成，图1中的曝光槽中通常没有液体。

除使用隅角立方棱镜代替凹面镜外，图2示出的过程与图1中的相似。

如上所指，本发明的传感器特别适用于与这样的单元，如光导纤维，一起使用，光可以传输至并从全息图传输出。图3示出了末端为探针尖的适当纤维束。在特定实施例中，探针直径约为5mm，有6个纤维内环，限定了直径1mm(1mm across)的圆，环绕着中心纤维。

图3示出的特定实施例中，中心纤维6连接到光谱仪读出设备(未示出)，环形纤维7连接到白光光源(未示出)。另一装置包括在光谱仪末端排成行的光导纤维，一个叠一个，与正常光谱狭缝重合或代替正常光谱狭缝。

如果隅角立方棱镜设备的入射光发散，那么回射光将继续发散，可能会导致信号微弱。因而要求确保入射光准直或会聚。在使用图3中光导纤维装置的情况下，可以通过在纤维束前放置小凸面镜(未示出)达到此效果。

现在将特别参照图4和图5描述本发明的效用。

图4中示出了在无散射洁净环境中使用光导纤维束9作为探针询问用凹面镜形成的传感器8(如见图1)。全息图反射回入射光10，好像是从用于产生全息图的凹面镜中反射似的。但是，由于全息图是用特定激光波长产生，全息图实际成为单色凹面镜。另外，如果在智能型聚合物中产生，反射光11的颜色将随环境改变。另一选择是用多个相互分离的激光波长来产生全息图，使之能感应环境中的不同因素。例如，全息图能同时作为绿、红或蓝凹面镜使用，波长之间的分离应大于其作为传感器使用时可能出现的波长偏移，给出比如一定范围的绿光和红光，但决不够大到会因波长重叠引起结果不确定。可以通过使用分层结构并且每层包括不同材料的传感器从而实现传感器有能力对多个分析物做出相互分离的响应。或者传感器也可以由整个深度中同心并互相邻近的不同材料组成。

全息凹面镜图像将彩色光聚焦至中心纤维。轴上工作的重要特色(不同于常规技术，使衍射光与镜面反射光成一不同小角反射出)在于，当衍射波长改变时，其始终聚焦于中心位置。

图5示出的装置与图4相同，但处于漫射环境12中。这是皮下植入的类型。

使用中，本发明不必跟踪返回光强度的变化。如果因散射损失了99％的光，那么能够从相当高衍射植入的智能型全息图中在剩下的1％中寻找小波长偏移将是令人满意的。为了减少散射光的问题，用偏轴凹面镜产生的全息图有时是很有用的。

为了用作植入物，需要用材料覆盖传感器来减少排异问题。这不会影响对身体中发现的分析物的检测，如葡萄糖或离子。

在本发明的特定实施例中，凹面镜传感器的中心被移除或覆盖，使之成为环形。这在图6和图7中示出，图7是在衬底14上询问传感器13。在此实施例中，如果探针16提供的光15聚集在环的中心(即，如同提供完整的凹面镜)，并充分扩散覆盖该区域，之后全息图将继续聚焦类单色光17于中心，如同为完整凹面镜图像所做的那样。本发明其它实施例在图8中示出，同心圆18、19、20说明了检测多个分析物的装置。

图9示出的全息传感器包括两部分21和22，每个都包括用隅角立方棱镜制成的全息图。部分21和22可以用于检测多个不同分析物。两部分将入射光反射回光源(如本文说明的光导纤维束)，因而可以使用传感器同时检测两种分析物。

图10是使用凸面镜记录全息图的射线图。使用逐渐弯曲的凸面镜可以允许制造增加焦距F并对入射光有校准作用的传感器。

图11示出了通过记录全息图后改变支持介质的几何形状获得本发明的传感器的方法。图11中，平面传感器23被铸为弯曲表面24来提供有弯曲支持介质及其结果反射焦点的传感器25(示出的传感器与弯曲表面接触)。该方法可用于有使用平面或非平面镜记录的全息图的传感器。后一种情况下，焦点稍微偏心。

以下示例说明了本发明。

示例

支持介质是通过聚合60摩尔％的丙烯酰胺、30摩尔％的甲基丙烯酰胺、4.9摩尔％的亚甲基双丙烯酰胺和5.1摩尔％的2-丙烯胺基-2-甲基-1-丙基磺酸混合物。每0.1961克干成分使用二甲基亚砜(DMSO)(433毫升)的二羟甲基丙酸(DMPA)。每玻片使用100微升的混合物，在20.7℃时聚合30分钟。

之后将硝酸银(AgNO3，0.25M，400毫升)浸在聚合物中2分钟，擦去多余部分，将玻片放在暖气流中干燥5分钟。然后使用4％(v/v体积百分浓度)QBS染料在1∶1的甲醇：含4％溴化钾(v/v)的水混合溶液中晃动玻片1分钟，之后在蒸馏水中冲洗，去除表面遗留的多余的溴化物离子和任何溴化银。将该玻片聚合物的侧下放在装有两个邻近凹面镜和60％(v/v)乙醇和水溶液的容器中，静置5分钟。之后使用激光记录两镜的全息图形。

显影图像使用4∶1的Saxby A∶Saxby B显影剂，在去离子水中漂洗，放在停止液(5％醋酸{v/v})中，最后再放入去离子水中漂洗。之后将玻片放在硫代硫酸钠中晃动5分钟，去除多余银和QBS染料。将玻片再放置于甲醇中大约20分钟，去除遗留的染料。

可使用由光导纤维束和12.5mm聚焦透镜组成的探针观察全息图。纤维束和透镜之间的距离与透镜和传感器的距离相同，即25mm。通过使用可调整视角的装置在恒定检测距离下进行观察。在每个角度记录峰值衍射波长直至峰值消失在背景噪声中。

图12示出了结果。在记录过程中使用凹面镜意味着可以在比常规传感器更大范围的角度内观察传感器的响应。

Claims (15)

1.一种传感器，其包括介质和置于其中的全息图，其中作为介质的物理特性变化的结果，全息图的光学特征发生变化，并且其中全息图被形成为非平面镜。

2.根据权利要求1的传感器，其中全息图被形成为凹面镜。

3.根据权利要求1的传感器，其中全息图被形成为凸面镜。

4.根据权利要求1的传感器，其中全息图被形成为隅角立方棱镜。

5.根据权利要求1至4中任一项的传感器生产方法，包括在介质中使全息图被形成为非平面镜。

6.根据权利要求5的方法，其中全息图是在非平面介质中记录的。

7.根据权利要求6的方法，其中全息图是使用平面镜记录的。

8.根据权利要求5或权利要求6的方法，其中全息图是使用非平面镜记录的。

9.根据权利要求8的方法，其中全息图是使用凹面镜记录的。

10.根据权利要求8的方法，其中全息图是使用能实现回射的镜面记录的。

11.根据权利要求10的方法，其中全息图是使用隅角立方棱镜记录的。

12.根据权利要求8的方法，其中全息图是使用一个或多个反射珠记录的。

13.根据权利要求5至12中任一项的方法，其中全息图是使用放置在光源和介质之间的透镜、孔、狭缝或障碍物、或其组合记录的。

14.一种分析物的检测方法，其包括使用光来远程地询问根据权利要求1至4中任一项的传感器的全息元件；以及检测传感器光学特征的任何变化。

15.根据权利要求14的方法，其中光是准直的。

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