CN87100936A - 光纤装置 - Google Patents

Abstract

一个细长的光纤装置，用于向位于待分析液体中的该装置的第一端传输光信号，并向位于液体外面的该装置的第二端传输返回的光信号，返回光信号指示出液体的特性。该光纤装置包括在其第一端形成孔的能传输光的光缆。反应元件基本上整个地置于该孔中，反应元件与液体起反应，以改变光的性质，由此指示出液体的特性。

Description

本发明涉及一种光纤装置，用于向其第一端传输入射光信号，并向第二端传输返回的光信号，该返回的光信号指示出第一端所在位置周围物质的特性。更具体地讲，本发明涉及一种插入在待分析液体中以测量该液体特性的光纤。

已知的利用光纤来传输表示出液体特性的光的传感系统通常有一个与光缆末端连接的腔。该腔一般包括一个或几个与待分析液体相配合的感受器点。腔的内部通常由能选择性地渗透的隔膜与液体隔开。这种隔膜被设计成允许特定的（即要分析的）液体进入腔的内部，而排斥其它所有不需要的部分。已知传感系统的例子见于美国专利4，357，106;4，344，438和参考31，879。

所述类型的已知传感系统存在的一个问题是与光缆末端连接的腔的结构易出故障。由于这种已知的腔是作为一种外部附件位于光缆的末端，因此是很容易损坏的。对光缆装卸的任何不慎就会容易导到该腔的损坏。

已知的传感系统的另一个问题是很难将该腔与光缆的末端牢固地连接起来。许多传感系统被设计成用作插入人体血管的导管。作为导管使用就要求腔非常小，要把如此小的腔连接到小的光缆上是非常困难的。此外，固定连接方面的故障会导致腔与光纤分离，这显然会产生一系列问题。

本发明的一个目的是提供一种光纤装置，该装置向其第一端传输入射光信号，并向其第二端传输表示出所含液体特性的返回光信号，从而克服了先有技术的缺陷。

本发明的另一个目的是提供一种反应腔不需要与光缆末端连接的光纤装置，从而消除了任何损害该腔的可能性。

本发明的再一个目的是提供一种能消除有关腔与光缆末端连接这类问题的光纤装置。

根据本发明，提供了一个用于把入射光信号传输到位于液体内部的该装置的第一端的光纤装置。该装置还把返回信号送到位于液体外面的第二端。该返回信号表示出所含液体的特性。该装置包括一个在其第一端上形成有孔的能传输光的光缆。一个反应元件完全被插入在光缆末端的孔中。反应元件与待分析的液体反应，使返回的信号与入射光相比较改变了性质。从而使返回光表示出液体的特性。

在本发明的一些最佳实施例中，光缆的第一端可涂上一层有选择性的或高反射性的材料。采用反射涂层的一个优点是能使更多的入射光被反射通过反应元件并传输到光缆的第二端。

还是在本发明的一些最佳实施例中，光缆的整个表面基本上被涂上一层保护层。采用保护层的一个优点是能使光缆更好地适用于作导管来插入到人体的血管中。保护层的另一个优点是有助于防止光从光缆中失散，从而使更多的光通过光缆传输。

还是在本发明的一些最佳实施例中，光缆末端的孔是采用诸如激光加工，微型打孔或用化学蚀刻这类快速和精确的方法来形成的。这类形成孔的方法的一个优点是孔能被精确地形成。这类方法的另一个优点是许多光缆能这样连续地形成，并得到同样的规格，这样可使光缆能大批量生产。

还是在本发明的最佳实施例中，反应元件包括可与配合体模拟配合的用于所关心的配合体的特定耦合介质（例如抗体）。例如，配合体模拟可包括带有荧光基质的配合体标记，从而当配合体模拟被耦合到特定的耦合介质时，使所述标记出现量子产额（quantum    yield）变化。在非标记配合体的情况下（由被分析的液体提供），配合体模拟被从特殊的耦合介质中挤开，结果引起发射强度的变化。

本发明的一个特点是反应元件被整个地容纳在光缆操作端的孔中。这种特点的一个优点是反应元件受到保护，从而避免了与外部异物接触而可能造成的破坏。该特点的另一个优点是光缆在其整个长度上具有均匀的直径。反应元件并不被固定在光缆的外表面，因此在传感端上并不产生直径增大区域。这就允许把光缆整个地容纳在一个光滑的生物相容的涂层内，从而减少了用其它方法时会产生thrombogenicity可能性。这使光缆能更方便地作为（尤其在细小尺寸的血管中的）导管来使用。

在本发明的一个实施例中，光缆的第一端是平面，该平面与光缆的纵轴垂直，孔轴向地向光缆内延伸，并和光缆的外圆周同轴。但是，本发明的装置无论是孔或是光缆第一端均不限于这种结构。

例如，孔相对于光缆的外表面并不需要径向或轴向对称。这样，孔可在光缆的第一端上形成，以使其并不是集中地位于第一端面上，而且孔可和光缆的纵轴成一个角度地向内延伸。同样，在光缆的第一端上可形成多于一个的孔，每个孔中置有不同的反应元件。

光缆的第一端也可以是平面，该平面与光缆的纵轴不成90°角。在这种结构中，孔可在第一端，同时孔的轴可与光缆的纵轴平行;或孔可在光缆接近第一端的外表面上，同时其轴与光缆的纵轴垂直。孔也可以是呈环状的、在光缆接近第一端的外表面上圆周地延伸的槽。

此外，光缆的第一端可成截头锥体状（frusto-conically）或抛物面形，其孔轴向地向内延伸，孔的轴与光缆的纵轴平行。

本领域的技术人员通过下面所考虑的作为实现本发明最好方式例子的最佳实施例的详细说明，必然会对本发明的其它目的，特点和优点理解得更加清楚，详细说明中具体参照的附图有：

图1是光纤装置的等角截面视图;

图2是概略地显示光传输路径的光纤装置示意图;

图3a-3d是末端部分断开的光纤装置的侧视图，示出了形成光纤装置的步骤;

图4是末端部分截开的侧视图，示出了采用改进型光缆形成光纤装置的最后步骤;

图5是一个包括了图1光纤装置的光纤传感系统的略图;

图6是一个末端部分截开的光纤装置的侧视图，示出了一种改进的光纤装置;

图7是一个末端部分截开的光纤装置的侧视图，示出了另一种改型的光纤装置;

图8是一个末端部分截开的光纤装置的侧视图，示是了另一种改型的光纤装置;

图9是一个末端部分截开的光纤装置的侧视图，示出了另一种光纤装置的改型;

图10是一个末端部分截开的光纤装置的侧视图，示出了另一种光纤装置的改型;

图11是一个末端部分截开的光纤装置的侧视图，示出了另一种光纤装置的改型;

图12是一个光纤装置的端部视图，示出了另一种改型的光纤装置;

图13是图12光纤装置的末端部分截开的侧视图。

现在参照附图，图1示出了一个光纤装置10。光纤装置10包括一根能传输光的光缆12。光缆12具有一个平面的第一端14，并与光缆12的纵轴垂直定向。光缆12还有一个外表面16和一个内部心线17。心线17是玻璃线，但也可用能达到所需光学性能的任何材料来构成。

在光缆12的第一端14的中央，通过激光加工，微型打孔或用其它等同手段如此形成孔18，以使孔18大致地与第一端14的圆周同心。作为例子，孔18的直径大约为光缆12直径的三分之一。孔18的深度大约等于孔18的直径。

反应元件20被塞入孔18，并完全地容纳在孔18中。孔18可有选择地复盖一层孔隙率可选择的半透明的膜（未示出），以使反应元件20封闭在孔18中，并防止比分析材料大的物体进入孔18。如图所示，反应元件是球形的，其尺寸可在几百埃到几微米范围内。当然，反应元件也可以具有其它形状，包括某聚合物或液体状弥散基质，并限定所有的反应元件最好完全容纳在孔18中。

反射涂层22可以涂敷在光缆12的第一端14上，同时，从第一端14轴向地向内延伸复盖光缆12的部分外表面16。当光要穿过反应元件20并从光缆12的第一端14被反射（吸收）时，反射涂层22是需要的。在反应元件20吸收和再传输光（荧光）的场合，反射涂层也是有用的。当光被反应元件20反射并向着光缆12的第二端传输（光散射）时，就不使用反射涂层22。反射涂层22可直接涂敷在外表面16上，如图1所示的那样，或者，如果光缆12具有一个外部纤维套管24，如图4所示，则外部纤维套管24是可在底部剥除的（stripped    back），并可把反射涂层22涂敷在光缆12所暴露的内部心线17上。反射涂层22应不盖住孔18，因为若盖住就会阻止反应元件20与第一端所在位置的周围液体起反应。

另外，反射涂层22可被做成具有特定的波长，从而使一定波长的光被反射而使其它的光能从第一端14传出。采用减小或消除穿过而又不与反应元件20相互作用的各种波长的光，这就显著改善了系统确定所需信息量的效率。可使用传统的光滤波技术制成特定波长的反射涂层22。

光纤装置10可用下面的方法来准备。参照图3a，3b，3c和3d，首先假定没有使用反射涂层22。光缆12用微型打孔形成孔18，如图3b所示。然后把反应元件20放入孔18内，以使其整个地容纳在孔18中，如图3c所示。然后在光缆12的整个外表面16上涂敷一层保护层26，如图3d所示，用于保护装置10。如果光纤装置10被用作插入到人体的导管，保护层26被选择成既有生物相容性又具有保护能力。防止人体损害仪器而选择适合的材料这是本领域的技术人员所熟悉的。

如果要在光缆12上敷加反射涂层22，则在光缆12上微型打孔之前（作为第一步）先加上反射涂层22。如果必需对外部纤维套管24进行剥离，则首先要完成剥离，然后加上反射层22，接着是微型打孔步骤。在微型打孔之后，上面所述的各步骤，不论是使用还是不用反射层22均保持相同。

现在参照图5，图中示出的是一个光纤传感系统28。传感系统28包括光纤装置10，光束分离器30，光源32，光接收器34和分析器36。

在工作时，传感系统28的光纤装置部分10插入到体内，（例如用一般的方法插入人体的血管内）。反应元件20与人体内物相互作用，为便于说明起见，认为该体内物是人体血管中的血液。血液与反应元件20之间的这种相互作用改变了其常态下的一个特性（这种反应不属于本发明内容）。反应元件20是经这样选择的，以使血液或其它需要分析的液体的该特性通过反应元件20的性质变化而指示出来。

来自光源32的入射光38通过光束分离器30，并以常规的方式传输到光纤12的第一端14，最好如图5所清楚显示。当入射光38接近光纤12的第一端14时，由于可选择的反射涂层22的作用使通过第一端14的入射光38的损耗减至最小。

现在参照图2，入射光38可被反射涂层22反射，并通过孔18和其所包含的反应元件20。另外，一般在基本等于或大于入射光38波长的与已知反应元件20的吸收，光散射和发荧光现象相对应的波长上，入射光38可被反应元件20反射或吸收，并被传输回来。当入射光38通过反应元件20，或被反应元件20反射或被吸收，并从反应元件20传输回来时，光38常规的性质就被改变了。

如上所述，入射光38性质改变或变化的量取决于反应元件20同血液或人体其它液体相互作用的性质的变化。这样，入射光38的变化是反应元件20和待分析液体之间反应的一个函数。如上所述，反应元件20和液体之间的反应表示出该液体的一个特性，因此，入射光38的变化也就表示出待分析液体的特性。

被改变的入射光38离开光缆12的第一端14传输，并称之为返回光39，40，41，如图2所示。返回光39代表了从反应元件20反射回来的光。返回光40代表通过反应元件20的光。在等于或大于入射光38波长下，从反应元件20，返回的光41代表由其吸收后传输回来的光。当然，如果在光缆12的第一端14加有反射涂层22，则返回光39，40，41也可包括从反射涂层22反射的部分入射光（38）。

现参照图5，返回光40通过光束分离器30，该分离器用常规的方法从返回光40中分离出入射光38。然后返回光40通过光接收器34到达分析器36。分析器36用常规的方法把返回光40与入射光38进行比较，并测量该液体所需的特性。当然，本发明并不限于用于人体内部。待测试的液体，例如血液，可用传统的方法从人体内抽出，并用光纤装置10来分析这些抽出的血液。血液的特性可以是（但并不限于）药品的含量，代谢物的含量，压力，温度和溶解的气体等。

现参照图6-13，这些图示出了本发明可能的改型。图6示出的光缆12具有平面第一端14，该平面相对于光缆12的纵轴不成90°角，例如成起偏振角。孔18与光缆12的外表面16的圆周同轴，并纵向向内延伸。反应元件20如图所示的那样为一种分散单体置于孔18内，而不象图1和2所示的那样采用球形体。

图7所示的光缆12具有一个截头锥体（frustaconical）状的第一端14。孔18与光缆12的外表面16的圆周同轴，并纵向向内延伸。

图8所示的光缆12具有一个抛物面形的第一端14。孔18与光缆12的外表面16的圆周同轴，并纵向向内延伸。

图9所示的光缆12具有平面第一端14，该平面相对于光缆12的纵轴不成90°角，这类似于图6中所示的光缆12。但是，孔18是在接近第一端14处的外表面16上径向地向内延伸。

图10所示的光缆12具有平面第一端14，而且该平面相对于光缆12的纵轴不成90°角，在该实施例中，孔18是一个绕光缆12圆周延伸的环形槽，并从光缆12外表面16径向地向内延伸。

图11所示的光缆12具有平面第一端14，而且该平面基本与光缆12的纵轴垂直，在第一端面14上的孔18穿过反射涂层22延伸，不与光缆12的外表面16同轴，并与光缆12的纵轴成一角度向内延伸。一层耐磨的涂层60如图所示的那样复盖在反射涂层22上。耐磨涂层60用来保护第一端面14和反射涂层22。耐磨涂层60被选择成既有生物相容性又具有保护能力。

图12和13所示的光缆12具有平面第一端14，同时该平面和光缆12的纵轴基本垂直。在第一端面14上形成有5个孔18，这些孔在第一端面的表面14上相互隔开。5个孔18可允许装入不同类型的反应元件。（图示的是包含在光缆12中的反应元件50，52，54，56，58）上述每种反应元件同入射光38产生不同的相互作用，从而使光接收器34和分析器36仅用一根光缆12就能对人体内的一种以上的特性同时进行光谱分析。不用说，光源32，光接收器34和分析器36将必然是更复杂的组成部件，这是因为需要从返回光39，40，41的信息中进行信号分离。

本发明图6-13中所示的各种改型具有这样的特点，即有利于根据待分析液体的类型，以及其它诸如使用入射光38的类型等因素来选用。不用说，可能影响最适合于给定使用的具体改型的选择因素是多种多样的。

虽然本发明已参照最佳实施例和具体例子作了详细说明，但在本发明的如下面权利要求书中所描述和限定的范围和精神内，存在着各种变化和改型。

Claims (13)

1、一个细长的光纤装置，用于向位于液体中的该装置的第一端传输入射光信号，并向位于液体外面的该装置的第二端传输返回的光信号，该返回的光信号表示出液体的特性，其特征在于该装置包括：

--能够传输光的光缆；

--在光缆的第一端上形成的孔；

--插入在所述孔中的反应元件，用于与液体的成份起反应，以改变光的性质，由此表示出液体的特性。

2、权利要求1的装置，特征在于还包括：在光缆的第一端涂敷的反射材料层。

3、权利要求2的装置，特征在于其中反射涂层具有特定的波长，即使一定波长的光信号能被反射涂层反射，而其它波长能穿过反射涂层。

4、权利要求1的装置，特征在于其中光缆涂有保护层。

5、权利要求1的装置，特征在于其中光缆具有一个中心纵轴，及所述孔从所述第一端轴向地向内延伸到所述光缆中。

6、权利要求1的装置，特征在于其中光缆具有一个中心纵轴，而且所述孔也具有一个中央纵轴，同时孔从所述光缆接近所述第一端的外表面径向地向内延伸，以使孔的中心轴基本垂直于光缆的中心轴。

7、权利要求1的装置，特征在于其中所述的孔是一个在所述光缆接近第一端的外表面环绕圆周延伸的环形槽。

8、权利要求1的装置，特征在于其中所述光缆的第一端是平面，所述光缆具有一个中心纵轴，由所述光缆的第一端和所述光缆的中心轴所限定的角是直角。

9、权利要求1的装置，特征在于其中所述光缆的第一端是平面，所述光缆具有有一个中心纵轴，由所述光缆的第一端和所述光缆的中心轴所限定的角是非直角。

10、权利要求9的装置，特征在于其中由所述光缆的第一端和所述光缆的中心轴限定的所述角是偏振角。

11、权利要求1的装置，特征在于其中所述光缆的第一端是截头锥体形的。

12、权利要求1的装置，特征在于其中所述光缆的第一端是抛物面形的。

13、一种检测液体成分特性的传感系统，特征在于该系统包括：

-一个光源;

-权利要求1-12中任何一个光纤装置;

-与光缆第二端保持联系的装置，以检测由光缆传输的返回光;

和

-用于分析所述反射光的装置，从而测定液体的特性。

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