RU2768228C1 - Мультифотонное сенсорное устройство - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области измерительной техники и касается мультифотонного сенсорного устройства. Устройство включает источник излучения, герметичную кювету, блок детектирования излучения и фокусирующие оптические элементы, установленные между источником излучения и кюветой и между кюветой и блоком детектирования излучения. Кювета состоит из неподвижной части и крышки с пазами, выполненной с возможностью скольжения вдоль неподвижной части. На внешней поверхности неподвижной части выполнен шип, а на внутренней поверхности неподвижной части выполнен паз, торцевая часть неподвижной части, обращенная в сторону блока детектирования излучения, содержит стопорную стенку. В пазу неподвижной части размещено микроструктурное оптическое волокно. Паз выполнен в виде полуокружности с радиусом по меньшей мере в 1,1 раза больше размеров микроструктурного оптического волокна. Технический результат заключается в обеспечении возможности выполнения анализов биоаналитов в реальном режиме времени и широком спектральном диапазоне. 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области нанотехнологий, предназначенных для производства фотонных сенсорных устройств с нелинейным преобразованием электромагнитного излучения при конструировании систем передачи и обработки информации, к технике спектральных измерений, предназначенным для анализа состава и концентрации газообразных и жидких веществ, основе микроструктурных оптических волокон, и может быть использовано в нано- и оптоэлектронике, фотонике, в области молекулярной аналитической химии, фармакологической, биомедицинской и пищевой промышленностях, а именно, к волоконно-оптическим сенсорным устройствам на базе микроструктурного оптического волокна, для последующего проведения молекулярно-биологических исследований в лабораториях молекулярно-генетического профиля. Оно позволит создать новый класс чувствительных, селективных и стабильных сенсоров экспресс мониторинга биоаналитов с повышенной чувствительностью регистрации малых изменений показателя преломления, позволяющий отслеживать спектральные изменения среды в статическом и динамическом, т.е. реальном, режиме времени.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В настоящее время наблюдается высокая степень востребованности оптических сенсоров в медицине, биологии, ветеринарии, пищевой промышленности и др. для систем экспрессного анализа качества аналитов, благодаря их компактным размерам, высокой чувствительности, надежности, портативности и низкой стоимости.

Оптические биомедицинские сенсоры различаются технологической платформой и конструкцией (State-of-The-Art Optical Devices for Biomedical Sensing Applications-A Review Электроника 2021 том 10 выпуск 8, 973-985). Это и плазмонные сенсоры и оптоволоконные биосенсоры, биосенсоры с оптоволоконной брегговской решеткой, биосенсоры на металлических пленках, сенсоры из метаматериалов, сенсоры на базе фотонных кристаллов и микроструктурных волокнах.

Микроструктурное оптическое волокно состоит из воздушной сердцевины и структурируемой воздушными каналами оболочки. Геометрия, размеры, расположение и количество воздушных каналов в структурируемой оболочке определяют оптические свойства этого типа волокна. Они все чаще рассматриваются в контексте создания высокочувствительных элементов волоконно-оптических датчиков физических и химических величин, применение которых значительно улучшит возможности существующих биосенсоров. Основные преимущества таких сенсоров - защищенность от электромагнитных полей, высокая чувствительность, надежность, воспроизводимость, широкий динамический диапазон измерений, возможность спектрального и пространственного мультиплексирования чувствительных элементов, малое время отклика на изменение измеряемых величин, малые размеры, возможность комбинирования с устройствами микрофлюидистики.

Предложено большое количество сенсоров с использованием микроструктурного оптического волокна в качестве чувствительного элемента для проведения анализа газов и жидкостей. Общим для всех предложенных схем является использование эффекта взаимодействия излучения с введенным в микроструктурное оптическое волокно анализируемым веществом, как в полых объемах волокна, так и на его поверхности, и регистрация соответствующих этому взаимодействию изменений в оптических свойствах микроструктурного оптического волокна (патент RU2432568 C1).

В патенте CN110174380A изложен биохимический датчик на основе антирезонансного оптического волокна с полой сердцевиной, который позволяет определять следы взрывчатых веществ на основе тушения флуоресценции пленки, сформированной на внутренней стенке оптического волокна с помощью методов физической, ионной или химической адсорбций. Поскольку весь интерфейс считывания основан на снятии спектральных характеристик оптического волокна, гарантируется стабильность оптоволоконной сенсорной платформы и хорошая чувствительность обнаружения. Данные о влиянии показателя преломления и толщины чувствительной пленки на тушение флуоресценции показали совпадение экспериментальных и теоретически рассчитанных данных. Однако предложенный сенсор требует создания воспроизводимой чувствительной пленки высокого качества на внутренней поверхности микроструктурного оптического волокна, что является трудной задачей при создании практических сенсорных устройств.

Безмаркерные биосенсоры позволяют обнаруживать малые концентрации биологических важных молекулярных объектов (РНК, ДНК, белки включая антитела и антигены, вирусы и бактерии) и исследовать их химические свойства, однако дороги требуют больших затрат.

В патенте US20130171667А1 предложен оптоволоконный фотонно-кристаллический сенсор и способ его изготовления. Создано фотонно-кристаллическое волокно, содержащее полую сердцевину и структурную оболочку из множества отверстий, на поверхность которых нанесены нано частицы золота или серебра. Из-за поверхностного плазмонного резонанса молекулы аналита возбуждаются в результате регистрируемый сигнал рассеяния увеличивается в несколько раз. Недостаток данного устройства состоит в невоспроизводимости технологии нанесения нано частиц, а следовательно разные значения шероховатости стенок, приводящие к разным реакциям с аналитом, сложные технологические возможности запайки торцев волокна, а недостатки связанные с необходимостью формирования на поверхности микроструктурного оптического волокна чувствительного слоя, обладающего стабильностью свойств на всей поверхности микроструктурного оптического волокна и устойчивостью при хранении.

В патенте CN1900696 предложен газовый сенсор на базе фотонно-кристаллического волокна с полой сердцевиной. Принцип работы устройства предполагает использование как минимум двух каналов, в том числе с использованием микроструктурного оптического волокна, обладающего относительно низкими потерями излучения при распространении света в его сердцевине по сравнению с обычными полыми волокном. При этом система регистрации измеряет и сравнивает изменения в используемых потоках излучения, т. е. используя внешнюю интерферометрическую систему, включая опорный и исследуемый пучки излучения. Недостатком предлагаемого решения является использование как минимум, двух каналов для получения данных сравнения.

В патенте US7952772B2 описаны устройство и способ определения присутствия аналита в микроструктурном оптическом волокне. Устройство включает в себя источник света, детектор, микроструктурное оптическое волокно-резонатор и устройство обработки данных. Вследствие того, что анализируемая проба вводится в волокно с помощью насоса, подключенного непосредственно к одной из торцевых поверхностей микроструктурного оптического волокна, то для обеспечения необходимых прочностных характеристик, микроструктурное оптическое волокно выполнено в виде спирали со множественными витками. Недостатком способа является сложность совмещения процессов ввода-вывода анализируемых растворов в микроструктурное оптическое волокно с одновременным детектирование оптических свойств микроструктурного оптического волокна.

Общие недостатки известных сенсорных устройств на основе микроструктурных оптических волокон связаны с трудностями заполнения исследуемого аналита, недостаточной механической прочностью волокна, и соответствующими сложностями непосредственного подключения к системам подачи рабочих и анализируемых растворов.

Наиболее близким к предлагаемому является патент RU2606796(13) C1, в котором предложено чирпированное волокно и способ его изготовления. Разработка микроструктурных чирпированных структур (позволяющих изменять частотные характеристики в пространстве, флуктуацию длины волны) с помощью многократных перетяжек, присущих волоконной технологии, а также расширение функциональных возможностей сборки необходимых конструкций микроструктурных волокон, благодаря сочетанию различных геометрий и типов стекол, создание уникальных конструкций, не имеющих аналогов по свойствам, и технологий, простых и воспроизводимых по своей реализации.

Конструкции чирпированного волновода и его изготовление состоит в создании волновода с чередующимися слоями с большим и меньшим показателем преломления, оптическая толщина которых изменяется от первого слоя до последнего. В таких структурах отражение различных спектральных компонент локализовано в различных областях внутри чирпированной структуры. В результате спектральной зависимости глубины проникновения излучения в структуру почти полностью исключается дисперсия. Крайне низкая дисперсия, небольшие потери позволяют использовать их в качестве прецизионных сенсорных устройств.

Конструкция микроструктурного чирпированного волокна состоит из центральной волноведущей полой жилы и структурированной оболочки в виде массива рабочих капилляров, размеры которых возрастают от центра к периферии, причем центры возрастающих по диаметру рабочих капилляров находятся на радиальной оси центральной жилы, а линии, проведенные через точки касания и центры рабочих капилляров, образуют равнобочные трапеции (трапецеидальная укладка) и массив удерживающих капилляров или цилиндров - вставок, выполненных из более жесткого стекла, заполняющих пространство между рабочими капиллярами для устойчивости конструкции, причем размеры вставок также возрастают от центра к периферии. Такое волокно позволяет получать гребенку сверх узких максимумов и минимумов шириной до нескольких нанометров, а следовательно, улучшить чувствительность и точность детектирования.

Это микроструктурное волокно было использовано для мультиспектрального внутри волоконного оптического зондирования жидких биологических образцов в патентах RU2611573 C1, RU2698548 C1, RU2731664 C1, RU 2746492 C1. За счет измерения дисперсии показателя преломления образца можно отслеживать изменения в составе введенного биологического вещества. После введения биоаналита наблюдают сдвиги максимумов и минимумов спектра пропускания, которые свидетельствуют о химическом составе биологического вещества. Однако все изложенные патенты конструкций сенсоров имеют главную проблему - проблему заполнения микроструктурного волокна и нанесения полимерных покрытий нано частиц, квантовых точек. Технология требует много времени. Многие конструкции оптических биосенсоров работают на одной длине волны. В предлагаемом изобретении измерения осуществляют на многих длинах волн в видимой и инфракрасной областях спектра. Существующие рефрактометры дороги и обладают ограниченным количеством длин волн, обусловленное наличием фильтров, один фильтр на одну длину волны, так что измерения показателя преломления могут выполняться только в статическом режиме. Цифровые рефрактометры более удобны и позволяют проводить измерения в автоматическом режиме, однако, они ориентируются только на одну длины волны и поэтому не могут быть использованы для лабораторного анализа жидкостей в широком спектральном диапазоне. Эллипсометры позволяют измерять показатель преломления в широком спектральном диапазоне, тем не менее, они очень дороги и громоздки и требуют сложного процесса калибровки для каждого измерения, поэтому они не могут быть легко интегрированы в любую оптофлюидную или другую систему зондирования для обеспечения измерений в режиме реального времени. Измерения в широком спектральном диапазоне, в реальном времени по-прежнему является сложной проблемой для других альтернативных способов и сенсорных устройств.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей, на решение которой направлено заявленное решение заключается в устранении недостатков, выявленных в предшествующем уровне техники.

Технический результат заявленного изобретения заключается в создание мультифотонного сенсорного устройства, которое позволит выполнять измерения в широком спектральном диапазоне, проводить анализ биоаналита (слезной жидкости, слюны, мочи и прочих жидкостей) в реальном режиме времени, что позволит мгновенно производить диагностику различных заболеваний.

Заявленный технический результат достигается благодаря тому, что мультифотонное сенсорное устройств, включающее источник излучения, герметичную кювету, блок детектирования излучения, по меньшей мере один оптический элемент, выполненный с возможностью фокусировки излучения, установленный между источником излучения и кюветой, по меньшей мере один оптический элемент, выполненный с возможностью фокусировки излучения, установленный между кюветой и блоком детектирования излучения, при этом кювета состоит из неподвижной части и крышки с пазами, выполненной с возможностью скольжения вдоль неподвижной части с элементами крепления, на внешней поверхности неподвижной части выполнен шип, а на внутренней поверхности неподвижной части выполнен паз, торцевая часть неподвижной части, обращенная в сторону блока детектирования излучения, содержит стопорную стенку, при этом, в пазу неподвижной части размещено микроструктурное оптическое волокно, при этом паз выполнен в виде полуокружности с радиусом по меньшей мере в 1,1 раза больше размеров микроструктурного оптического волокна.

Источник излучения и блок детектирования излучения работают в спектральном диапазоне от 180нм до 10000нм.

Устройство содержит узел ввода излучения, образованный торцом неподвижной части кюветы, торцом микроструктурного оптического волокна, помещенного в паз неподвижной части кюветы и торцом крышки с пазами, верхняя поверхность которой упирается в стопорную стенку неподвижной части кюветы, а ее нижняя поверхность в центре содержит паз круглой формы для верхнего прижима микроструктурного оптического волокна, c радиусом, по меньшей мере в 1,1 раза больше размеров микроструктурного оптического волокна и отстоящий на некотором расстоянии от стопорной стенки.

Кювета выполнена из химически стойкого медицинского материала.

Вывод излучения осуществляют через отверстие в неподвижной части кюветы, в торце стопорной стенки, на которую наклеено тонкостенное стекло.

Узлы ввода-вывода раствора выполнены в виде отверстий, расположенных на крышке сверху ближе к стопорной стенке, выводу излучения и перпендикулярны оси микроструктурного оптического волокна.

Кювета выполнена с возможностью подключения к гидравлической системе, включающей системы создания избыточного давления или вакуума, обеспечивающая возможность заполнения, промывки, вакуумирования микроструктурного оптического волокна.

Микроструктурное оптическое волокно выполнено в виде чирпированного микроструктурного волновода, состоящего из центральной волноведущей полой сердцевины и структурной оболочки в виде массива рабочих капилляров, размеры которых возрастают от центра к периферии и содержит по меньшей мере два рабочих слоя отверстий, диаметры которых возрастают от полой сердцевины к наружному диаметру.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фигуре 1 представлена схема мультифотонного сенсорного устройства.

На фигуре 2 представлена неподвижная часть стеклянной кюветы для образцов микроструктурных оптических волокон.

На фигуре 3 представлена кювета в сборе вместе с микроструктурным оптическим волокном.

На фигурах 4 и 5 представлена конструкция кюветы.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ.

Мультифотонное сенсорное устройств, включает источник излучения 1, герметичную кювету 2, блок детектирования излучения 3, по меньшей мере один оптический элемент 4, выполненный с возможностью фокусировки излучения, установленный между источником излучения 1 и кюветой 2, по меньшей мере один оптический элемент 5, выполненный с возможностью фокусировки излучения, установленный между кюветой 2 и блоком детектирования излучения 3, при этом кювета 2 состоит из неподвижной части 6 и крышки 7 с пазами 8, выполненной с возможностью скольжения вдоль неподвижной части 6 с элементами крепления 9, на внешней поверхности неподвижной части 6 выполнен шип 10, а на внутренней поверхности неподвижной части выполнен паз 11, торцевая часть неподвижной части 6, обращенная в сторону блока детектирования излучения 3, содержит стопорную стенку 12, при этом, в пазу 11 неподвижной части 6 размещено микроструктурное оптическое волокно 13, при этом паз 11 выполнен в виде полуокружности с радиусом по меньшей мере в 1,1 раза больше размеров микроструктурного оптического волокна 13.

Неподвижная часть 6 кюветы 2, представляет собой станину, а элемент крепления 9 представляет собой ласточкин хвост. Шип 10 выполнен прямоугольной формы.

Источник излучения 1 и блок детектирования 3 оптического сигнала работают в спектральном диапазоне от 180nm до 10000nm, что позволяет детектировать максимально возможный набор спектров взаимодействий и образующихся продуктов взаимодействия при анализе аналитов, в том числе биологической природы. Узел ввода излучения в торец микроструктурного оптического волокна 13, образован торцом неподвижной части 6 кюветы, в паз 11, например круглой формы, которой помещено микроструктурное оптическое волокно 13 и крышкой 7, верхняя поверхность которой упирается в стопорную стенку 12 неподвижной части 6, а ее нижняя поверхность в центре содержит также паз, отстоящий на некотором расстоянии от стопорной стенки 12, например, круглой формы для верхнего прижима образца микроструктурного оптического волокна 13, c радиусом, не менее, чем в 1,1 раза больше размеров микроструктурного оптического волокна 13. Вывод излучения осуществляют через отверстие 14 в неподвижной части 6 кюветы 2, в торце стопорной стенки 12, на которую наклеено тонкостенное стекло. Узлы ввода-вывода анализируемого раствора, промывочных и буферных растворов выполнены в виде отверстий 15,16, расположенные сверху в крышке 7, ближе к стопорной стенке 12, выводу излучения и перпендикулярны оси микроструктурных оптических волокно 13. На крышке 7 нанесена маркировка 17 в виде, например наклейки с номером или RFID- метку. Кювета 2 имеет возможности подключения к гидравлической системе, включающую системы создания избыточного давления или вакуума, обеспечивающая возможность заполнения, промывки, вакуумирования микроструктурных оптических волокон 13. Кювета 2 может быть выполнена из химически стойкого медицинского материала, например, из стекла, медицинского полистирола, или любого другого медицинского материала, изготовленные либо вытяжкой стекла или с помощью 3Д принтера. Микроструктурное оптическое волокно 13 выполнено в виде чирпированного микроструктурного волновода, состоящего из центральной волноведущей полой сердцевины и структурной оболочки в виде массива рабочих капилляров, размеры которых возрастают от центра к периферии наружного диаметра волокна, отличающееся количеством рабочих слоев, не менее двух, в оболочке микроструктурного оптического волокна 13, обеспечивающие мультиспектральное оптическое зондирование жидких биологических образцов как в статическом, так и в режиме реального времени.

Собранную кювету 2 помещают в прибор на юстировочное устройство с пазом 11 геометрическим ответом шипа 10, размещенного на внешней стороне неподвижной части 6 кюветы 2, защелкивая и фиксируя положение для фокусировки входящего и выходящего излучения через микрообъектива источника излучения 1. В качестве широкополосного источника оптического излучения 1 используют, например, галогенную лампу Ocean Optics HL-2000-HP с оптоволоконным выходом. Для регистрации выходящего оптического излучения из образца микроструктурного оптического волновода используют блок детектирования, например, цифровой спектрометр Ocean Optics HR4000 с оптоволоконным входом. Информация со спектрометра выводят на персональный компьютер через стандартный USB интерфейс. При этом устройство работает в спектральном диапазоне от 180 нм до 10000 нм, что позволяет детектировать максимально возможный набор спектров взаимодействий аналитов, в том числе биологической природы.

Мультифотонное сенсорное устройство (Фиг.1) включает источник оптического излучения 1 широкого спектра (например, галогенная лампа Ocean Optics HL-2000-HP с оптоволоконным выходом), оптический элемент 4, в виде микрообъектива, размещенный на трех координатной подвижке для фокусировки и ввода излучения в сердцевину микроструктурного оптического волокна 13, которое интегрировано в стеклянной кювету 2 (Фиг 2.), установленную на трехкоординатную подвижку, оптический элемент 5, в виде микрообъектива для фокусировки оптического излучения, выходящего из микроструктурного оптического волокна 13, на оптоволоконный вход блока детектирования 3, в качестве которого используется цифровой спектрометр, например, Ocean Optics HR4000, соединенного с персональным компьютером через стандартный USB интерфейс.

Конструкция кюветы для заполнения микроструктурного оптического волокна 13 исследуемым биоаналитом, обеспечивающая точное линейное перемещение и юстировку (Фиг 4, 5), состоящей из неподвижной части 6 и крышки 7 с пазами 8, скользящих вдоль неподвижной части 6 с элементами крепления 9, например, ласточкин хвост. На внешней, охватывающей поверхности неподвижной части 6 выполнен шип 10, например, трапециевидной или прямоугольной формы, на внутренней охватываемой - паз 11, например, в виде полуокружности, при этом ее радиус не менее чем в 1,1 раза больше размеров микроструктурного оптического волокна 13. Узел ввода излучения в торец волокна 6, образован подвижной частью, состоящей из монолитного основания (крышки) 7, верхняя поверхность которого упирается в стопорную стенку 12 неподвижной части 6 и крышки 7, в нижней поверхности которого, отстоящим на некотором расстоянии от стопорной стенки 12, в центре выполнен, например, круглый паз 9 для верхнего прижима образца микроструктурного оптического волокна 13, при этом его радиус не менее чем в 1,1 раза больше размеров волокна. Вывод излучения осуществляют через отверстие 14 в неподвижной части 6 кюветы 2, в торце стопорной стенки 12, на которую наклеено тонкостенное стекло. Узлы ввода-вывода анализируемого раствора, промывочных и буферных растворов выполнены в виде отверстий 15, 16, расположенные сверху в крышке 7, ближе к стопорной стенке 12, выводу излучения через тонкостенное стекло и перпендикулярны оси микроструктурного оптического волокна 13.

Стеклянная кювета 2, изображение которой представлено на Фиг.2, содержит образец микроструктурного оптического волокна 13, куда помещен один из торцов волновода. Камера предназначена для заполнения анализируемым жидким препаратом. Объем камеры составляет от 20 мкл до 50 мкл.

Кювету 2 с образцом микроструктурного оптического волокна 13 устанавливают в схему и вводят оптическое излучение от источника 1 в полую сердцевину исследуемого образца. С помощью спектрометра, например, Ocean Optics HR 4000 отслеживают уровень сигнала в режиме реального времени. При этом программу настраивают на автоматическую фиксацию спектра с учетом опорного спектра источника, что позволяет избавиться от влияния спектра излучения лампы и передаточной функции оптических элементов схемы на получаемый в конечном результате спектр пропускания исследуемого образца.

С целью контроля идентичности и минимизации вероятности ошибки дальнейших измерений после регистрации и сохранения, полученный спектр пропускания незаполненного волновода, сравнивают с полученными ранее спектрами пропускания других образцов.

Камеру кюветы 2 заполняют с помощью стандартного пипет-дозатора исследуемой жидкостью, которая проникает во внутреннюю структуру волновода, за счет действия капиллярных сил, при этом после заполнения микроструктурного оптического волокна 13 не происходит появления менисков в полой сердцевине волновода, т.е. формирования границы раздела жидкость - воздух, так как торцы волновода остаются погруженным в жидкость в ходе измерения. Отсутствие менисков в волноводе вблизи входного-выходного торцев (относительно направления распространения излучения) при регистрации сигнала предотвращает линзовый эффект, вызванный преломлением на мениске, а следовательно, искажение сигнала.

Процесс инжекции жидкости в микроструктурное оптическое волокно 13 контролируют с помощью трансформации спектра пропускания микроструктурного оптического волокна 13, в режиме реального времени. Завершение процесса заполнения микроструктурного оптического волокна 13 фиксируют прекращением изменения спектра пропускания образца и формированием четко выраженных гладких максимумов и минимумов пропускания. В зависимости от вязкости модельной жидкости процесс заполнения составляет от 10 секунд до 1 минуты. Спектр пропускания заполненного образца сохраняют в файл для дальнейшей обработки.

Принцип измерения основан на обнаружении спектральных сдвигов максимумов и минимумов в спектрах пропускания микроструктурного оптического волокна 13 с полой сердцевиной, при заполнении жидким биоаналитом через кювету 2. Эти резонансные особенности не требуют внешнего резонатора или интерферометра поскольку эти функции выполняет микроструктурное оптическое волокно, а спектральное положение однозначно связано с излучением биоаналита.

Предложенное мультифотонное сенсорное устройство позволяет с высокой точностью определять наличие антител в биологическом материале, т.е. создать оптический иммуносенсер, за счет введения реакционной смеси со специфическим антигеном и анализируемого образца в кювету 2 с интегрируемым в нее микроструктурным оптическим волокном 13, с последующим определением наличия антител по разнице положения локальных максимумов спектра пропускания образца в режиме реального времени сразу и по истечении 1 минуты после заполнения смесью специфического антигена и анализируемого раствора содержащего искомые антитела к данному антигену.

Предложенная конструкция мультифотонного сенсора позволяет прогнозировать исход беременности при переносе эмбрионов в полость матки. Для этого эмбрионы первоначально помещают в культуральную среду, после некоторого времени их пребывания в ней, забирают культуральную среду для дальнейшего исследования. Ее помещают в кювету 2 с интегрированным в нее микроструктурным оптическим волокном 13, и производят исследования спектров пропускания. Далее производят статистическую обработку, которая позволяет определить позитивный или негативный исход беременности или выявить патологию эмбриона.

Мультифотонное сенсорное устройство может также осуществлять детекцию газа за счет введения в микроструктурное оптическое волокно 13 субмикронных частиц (например диоксида кремния), методом полиионной сборки, интегрированного в кювету 2, работающего по принципу детекции изменения оптических характеристик при прохождении газа через устройство. Процесс адсорбции ведет к равномерному распределению частиц внутри внутренней поверхности полой сердцевины, формируя пористый слой, где происходит конденсация, вызывающая изменение эффективного показателя преломления. Предлагаемая модель сенсора обладает высокой чувствительностью к изменяемой концентрации газа (влажности) через конденсацию газа (водяного пара) в пористом слое на внутренней поверхности.

Модель сенсора, позволяет реализовать измерения в ультрафиолетовом, видимом, ближнем и среднем ИК диапазонах. Видимый диапазон позволяет визуализировать сосуды и исследовать оксигенацию в сосудах. Ближний и средний ИК диапазоны позволяют оценивать биохимический состав ткани: вода, липиды, белки и прочее.

Таким образом, предлагается многофункциональное аналитическое устройство широкого спектра применений. Устройство довольно компактно и не представляет сложности для серийного производства. Позволяет выполнять измерения в широком спектральном диапазоне, проводить анализ биоаналита (слезной жидкости, слюны, мочи и прочих жидкостей) в реальном режиме времени, что позволит мгновенно производить диагностику различных заболеваний.

Claims (15)

1. Мультифотонное сенсорное устройств, включающее

источник излучения,

герметичную кювету,

блок детектирования излучения,

по меньшей мере один оптический элемент, выполненный с возможностью фокусировки излучения, установленный между источником излучения и кюветой,

по меньшей мере один оптический элемент, выполненный с возможностью фокусировки излучения, установленный между кюветой и блоком детектирования излучения,

при этом кювета состоит из неподвижной части и крышки с пазами, выполненной с возможностью скольжения вдоль неподвижной части с элементами крепления, на внешней поверхности неподвижной части выполнен шип, а на внутренней поверхности неподвижной части выполнен паз, торцевая часть неподвижной части, обращенная в сторону блока детектирования излучения, содержит стопорную стенку,

при этом в пазу неподвижной части размещено микроструктурное оптическое волокно, при этом паз выполнен в виде полуокружности с радиусом по меньшей мере в 1,1 раза больше размеров микроструктурного оптического волокна.

2. Устройство по п.1, в котором источник излучения и блок детектирования излучения работают в спектральном диапазоне от 180 нм до 10000 нм.

3. Устройство по п.1, которое содержит узел ввода излучения, образованный торцом неподвижной части кюветы, торцом микроструктурного оптического волокна, помещенного в паз неподвижной части кюветы, и торцом крышки с пазами, верхняя поверхность которой упирается в стопорную стенку неподвижной части кюветы, а ее нижняя поверхность в центре содержит паз круглой формы для верхнего прижима микроструктурного оптического волокна c радиусом по меньшей мере в 1,1 раза больше размеров микроструктурного оптического волокна, отстоящий на некотором расстоянии от стопорной стенки.

4. Устройство по п.1, в котором кювета выполнена из химически стойкого медицинского материала.

5. Устройство по п.1, в котором вывод излучения осуществляют через отверстие в неподвижной части кюветы, в торце стопорной стенки, на которую наклеено тонкостенное стекло.

6. Устройство по п.1, в котором узлы ввода-вывода раствора выполнены в виде отверстий, расположенных на крышке сверху ближе к стопорной стенке, выводу излучения, и перпендикулярны оси микроструктурного оптического волокна.

7. Устройство по п.1, в котором кювета выполнена с возможностью подключения к гидравлической системе, включающей системы создания избыточного давления или вакуума, обеспечивающей возможность заполнения, промывки, вакуумирования микроструктурного оптического волокна.

8. Устройство по п.1, в котором микроструктурное оптическое волокно выполнено в виде чирпированного микроструктурного волновода, состоящего из центральной волноведущей полой сердцевины и структурной оболочки в виде массива рабочих капилляров, размеры которых возрастают от центра к периферии, и содержащего по меньшей мере два рабочих слоя отверстий, диаметры которых возрастают от полой сердцевины к наружному диаметру.

Images