專利名稱:光纖裝置的制作方法
本發(fā)明涉及一種光纖裝置，用于向其第一端傳輸入射光信號(hào)，并向第二端傳輸返回的光信號(hào)，該返回的光信號(hào)指示出第一端所在位置周圍物質(zhì)的特性。更具體地講，本發(fā)明涉及一種插入在待分析液體中以測(cè)量該液體特性的光纖。
已知的利用光纖來(lái)傳輸表示出液體特性的光的傳感系統(tǒng)通常有一個(gè)與光纜末端連接的腔。該腔一般包括一個(gè)或幾個(gè)與待分析液體相配合的感受器點(diǎn)。腔的內(nèi)部通常由能選擇性地滲透的隔膜與液體隔開(kāi)。這種隔膜被設(shè)計(jì)成允許特定的(即要分析的)液體進(jìn)入腔的內(nèi)部，而排斥其它所有不需要的部分。已知傳感系統(tǒng)的例子見(jiàn)于美國(guó)專利4，357，106;4，344，438和參考31，879。
所述類型的已知傳感系統(tǒng)存在的一個(gè)問(wèn)題是與光纜末端連接的腔的結(jié)構(gòu)易出故障。由于這種已知的腔是作為一種外部附件位于光纜的末端，因此是很容易損壞的。對(duì)光纜裝卸的任何不慎就會(huì)容易導(dǎo)到該腔的損壞。
已知的傳感系統(tǒng)的另一個(gè)問(wèn)題是很難將該腔與光纜的末端牢固地連接起來(lái)。許多傳感系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成用作插入人體血管的導(dǎo)管。作為導(dǎo)管使用就要求腔非常小，要把如此小的腔連接到小的光纜上是非常困難的。此外，固定連接方面的故障會(huì)導(dǎo)致腔與光纖分離，這顯然會(huì)產(chǎn)生一系列問(wèn)題。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種光纖裝置，該裝置向其第一端傳輸入射光信號(hào)，并向其第二端傳輸表示出所含液體特性的返回光信號(hào)，從而克服了先有技術(shù)的缺陷。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種反應(yīng)腔不需要與光纜末端連接的光纖裝置，從而消除了任何損害該腔的可能性。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種能消除有關(guān)腔與光纜末端連接這類問(wèn)題的光纖裝置。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一個(gè)用于把入射光信號(hào)傳輸?shù)轿挥谝后w內(nèi)部的該裝置的第一端的光纖裝置。該裝置還把返回信號(hào)送到位于液體外面的第二端。該返回信號(hào)表示出所含液體的特性。該裝置包括一個(gè)在其第一端上形成有孔的能傳輸光的光纜。一個(gè)反應(yīng)元件完全被插入在光纜末端的孔中。反應(yīng)元件與待分析的液體反應(yīng)，使返回的信號(hào)與入射光相比較改變了性質(zhì)。從而使返回光表示出液體的特性。
在本發(fā)明的一些最佳實(shí)施例中，光纜的第一端可涂上一層有選擇性的或高反射性的材料。采用反射涂層的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能使更多的入射光被反射通過(guò)反應(yīng)元件并傳輸?shù)焦饫|的第二端。
還是在本發(fā)明的一些最佳實(shí)施例中，光纜的整個(gè)表面基本上被涂上一層保護(hù)層。采用保護(hù)層的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能使光纜更好地適用于作導(dǎo)管來(lái)插入到人體的血管中。保護(hù)層的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是有助于防止光從光纜中失散，從而使更多的光通過(guò)光纜傳輸。
還是在本發(fā)明的一些最佳實(shí)施例中，光纜末端的孔是采用諸如激光加工，微型打孔或用化學(xué)蝕刻這類快速和精確的方法來(lái)形成的。這類形成孔的方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是孔能被精確地形成。這類方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是許多光纜能這樣連續(xù)地形成，并得到同樣的規(guī)格，這樣可使光纜能大批量生產(chǎn)。
還是在本發(fā)明的最佳實(shí)施例中，反應(yīng)元件包括可與配合體模擬配合的用于所關(guān)心的配合體的特定耦合介質(zhì)(例如抗體)。例如，配合體模擬可包括帶有熒光基質(zhì)的配合體標(biāo)記，從而當(dāng)配合體模擬被耦合到特定的耦合介質(zhì)時(shí)，使所述標(biāo)記出現(xiàn)量子產(chǎn)額(quantum yield)變化。在非標(biāo)記配合體的情況下(由被分析的液體提供)，配合體模擬被從特殊的耦合介質(zhì)中擠開(kāi)，結(jié)果引起發(fā)射強(qiáng)度的變化。
本發(fā)明的一個(gè)特點(diǎn)是反應(yīng)元件被整個(gè)地容納在光纜操作端的孔中。這種特點(diǎn)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)元件受到保護(hù)，從而避免了與外部異物接觸而可能造成的破壞。該特點(diǎn)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是光纜在其整個(gè)長(zhǎng)度上具有均勻的直徑。反應(yīng)元件并不被固定在光纜的外表面，因此在傳感端上并不產(chǎn)生直徑增大區(qū)域。這就允許把光纜整個(gè)地容納在一個(gè)光滑的生物相容的涂層內(nèi)，從而減少了用其它方法時(shí)會(huì)產(chǎn)生thrombogenicity可能性。這使光纜能更方便地作為(尤其在細(xì)小尺寸的血管中的)導(dǎo)管來(lái)使用。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，光纜的第一端是平面，該平面與光纜的縱軸垂直，孔軸向地向光纜內(nèi)延伸，并和光纜的外圓周同軸。但是，本發(fā)明的裝置無(wú)論是孔或是光纜第一端均不限于這種結(jié)構(gòu)。
例如，孔相對(duì)于光纜的外表面并不需要徑向或軸向?qū)ΨQ。這樣，孔可在光纜的第一端上形成，以使其并不是集中地位于第一端面上，而且孔可和光纜的縱軸成一個(gè)角度地向內(nèi)延伸。同樣，在光纜的第一端上可形成多于一個(gè)的孔，每個(gè)孔中置有不同的反應(yīng)元件。
光纜的第一端也可以是平面，該平面與光纜的縱軸不成90°角。在這種結(jié)構(gòu)中，孔可在第一端，同時(shí)孔的軸可與光纜的縱軸平行;或孔可在光纜接近第一端的外表面上，同時(shí)其軸與光纜的縱軸垂直。孔也可以是呈環(huán)狀的、在光纜接近第一端的外表面上圓周地延伸的槽。
此外，光纜的第一端可成截頭錐體狀(frusto-conically)或拋物面形，其孔軸向地向內(nèi)延伸，孔的軸與光纜的縱軸平行。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員通過(guò)下面所考慮的作為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明最好方式例子的最佳實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明，必然會(huì)對(duì)本發(fā)明的其它目的，特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)理解得更加清楚，詳細(xì)說(shuō)明中具體參照的附圖有圖1是光纖裝置的等角截面視圖;
圖2是概略地顯示光傳輸路徑的光纖裝置示意圖;
圖3a-3d是末端部分?jǐn)嚅_(kāi)的光纖裝置的側(cè)視圖，示出了形成光纖裝置的步驟;
圖4是末端部分截開(kāi)的側(cè)視圖，示出了采用改進(jìn)型光纜形成光纖裝置的最后步驟;
圖5是一個(gè)包括了圖1光纖裝置的光纖傳感系統(tǒng)的略圖;
圖6是一個(gè)末端部分截開(kāi)的光纖裝置的側(cè)視圖，示出了一種改進(jìn)的光纖裝置;
圖7是一個(gè)末端部分截開(kāi)的光纖裝置的側(cè)視圖，示出了另一種改型的光纖裝置;
圖8是一個(gè)末端部分截開(kāi)的光纖裝置的側(cè)視圖，示是了另一種改型的光纖裝置;
圖9是一個(gè)末端部分截開(kāi)的光纖裝置的側(cè)視圖，示出了另一種光纖裝置的改型;
圖10是一個(gè)末端部分截開(kāi)的光纖裝置的側(cè)視圖，示出了另一種光纖裝置的改型;
圖11是一個(gè)末端部分截開(kāi)的光纖裝置的側(cè)視圖，示出了另一種光纖裝置的改型;
圖12是一個(gè)光纖裝置的端部視圖，示出了另一種改型的光纖裝置;
圖13是圖12光纖裝置的末端部分截開(kāi)的側(cè)視圖。
現(xiàn)在參照附圖，圖1示出了一個(gè)光纖裝置10。光纖裝置10包括一根能傳輸光的光纜12。光纜12具有一個(gè)平面的第一端14，并與光纜12的縱軸垂直定向。光纜12還有一個(gè)外表面16和一個(gè)內(nèi)部心線17。心線17是玻璃線，但也可用能達(dá)到所需光學(xué)性能的任何材料來(lái)構(gòu)成。
在光纜12的第一端14的中央，通過(guò)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大致地與第一端14的圓周同心。作為例子，孔18的直徑大約為光纜12直徑的三分之一?？?8的深度大約等于孔18的直徑。
反應(yīng)元件20被塞入孔18，并完全地容納在孔18中?？?8可有選擇地復(fù)蓋一層孔隙率可選擇的半透明的膜(未示出)，以使反應(yīng)元件20封閉在孔18中，并防止比分析材料大的物體進(jìn)入孔18。如圖所示，反應(yīng)元件是球形的，其尺寸可在幾百埃到幾微米范圍內(nèi)。當(dāng)然，反應(yīng)元件也可以具有其它形狀，包括某聚合物或液體狀彌散基質(zhì)，并限定所有的反應(yīng)元件最好完全容納在孔18中。
反射涂層22可以涂敷在光纜12的第一端14上，同時(shí)，從第一端14軸向地向內(nèi)延伸復(fù)蓋光纜12的部分外表面16。當(dāng)光要穿過(guò)反應(yīng)元件20并從光纜12的第一端14被反射(吸收)時(shí)，反射涂層22是需要的。在反應(yīng)元件20吸收和再傳輸光(熒光)的場(chǎng)合，反射涂層也是有用的。當(dāng)光被反應(yīng)元件20反射并向著光纜12的第二端傳輸(光散射)時(shí)，就不使用反射涂層22。反射涂層22可直接涂敷在外表面16上，如圖1所示的那樣，或者，如果光纜12具有一個(gè)外部纖維套管24，如圖4所示，則外部纖維套管24是可在底部剝除的(stripped back)，并可把反射涂層22涂敷在光纜12所暴露的內(nèi)部心線17上。反射涂層22應(yīng)不蓋住孔18，因?yàn)槿羯w住就會(huì)阻止反應(yīng)元件20與第一端所在位置的周圍液體起反應(yīng)。
另外，反射涂層22可被做成具有特定的波長(zhǎng)，從而使一定波長(zhǎng)的光被反射而使其它的光能從第一端14傳出。采用減小或消除穿過(guò)而又不與反應(yīng)元件20相互作用的各種波長(zhǎng)的光，這就顯著改善了系統(tǒng)確定所需信息量的效率?？墒褂脗鹘y(tǒng)的光濾波技術(shù)制成特定波長(zhǎng)的反射涂層22。
光纖裝置10可用下面的方法來(lái)準(zhǔn)備。參照?qǐng)D3a，3b，3c和3d，首先假定沒(méi)有使用反射涂層22。光纜12用微型打孔形成孔18，如圖3b所示。然后把反應(yīng)元件20放入孔18內(nèi)，以使其整個(gè)地容納在孔18中，如圖3c所示。然后在光纜12的整個(gè)外表面16上涂敷一層保護(hù)層26，如圖3d所示，用于保護(hù)裝置10。如果光纖裝置10被用作插入到人體的導(dǎo)管，保護(hù)層26被選擇成既有生物相容性又具有保護(hù)能力。防止人體損害儀器而選擇適合的材料這是本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟悉的。
如果要在光纜12上敷加反射涂層22，則在光纜12上微型打孔之前(作為第一步)先加上反射涂層22。如果必需對(duì)外部纖維套管24進(jìn)行剝離，則首先要完成剝離，然后加上反射層22，接著是微型打孔步驟。在微型打孔之后，上面所述的各步驟，不論是使用還是不用反射層22均保持相同。
現(xiàn)在參照?qǐng)D5，圖中示出的是一個(gè)光纖傳感系統(tǒng)28。傳感系統(tǒng)28包括光纖裝置10，光束分離器30，光源32，光接收器34和分析器36。
在工作時(shí)，傳感系統(tǒng)28的光纖裝置部分10插入到體內(nèi)，(例如用一般的方法插入人體的血管內(nèi))。反應(yīng)元件20與人體內(nèi)物相互作用，為便于說(shuō)明起見(jiàn)，認(rèn)為該體內(nèi)物是人體血管中的血液。血液與反應(yīng)元件20之間的這種相互作用改變了其常態(tài)下的一個(gè)特性(這種反應(yīng)不屬于本
發(fā)明內(nèi)容
)。反應(yīng)元件20是經(jīng)這樣選擇的，以使血液或其它需要分析的液體的該特性通過(guò)反應(yīng)元件20的性質(zhì)變化而指示出來(lái)。
來(lái)自光源32的入射光38通過(guò)光束分離器30，并以常規(guī)的方式傳輸?shù)焦饫w12的第一端14，最好如圖5所清楚顯示。當(dāng)入射光38接近光纖12的第一端14時(shí)，由于可選擇的反射涂層22的作用使通過(guò)第一端14的入射光38的損耗減至最小。
現(xiàn)在參照?qǐng)D2，入射光38可被反射涂層22反射，并通過(guò)孔18和其所包含的反應(yīng)元件20。另外，一般在基本等于或大于入射光38波長(zhǎng)的與已知反應(yīng)元件20的吸收，光散射和發(fā)熒光現(xiàn)象相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)上，入射光38可被反應(yīng)元件20反射或吸收，并被傳輸回來(lái)。當(dāng)入射光38通過(guò)反應(yīng)元件20，或被反應(yīng)元件20反射或被吸收，并從反應(yīng)元件20傳輸回來(lái)時(shí)，光38常規(guī)的性質(zhì)就被改變了。
如上所述，入射光38性質(zhì)改變或變化的量取決于反應(yīng)元件20同血液或人體其它液體相互作用的性質(zhì)的變化。這樣，入射光38的變化是反應(yīng)元件20和待分析液體之間反應(yīng)的一個(gè)函數(shù)。如上所述，反應(yīng)元件20和液體之間的反應(yīng)表示出該液體的一個(gè)特性，因此，入射光38的變化也就表示出待分析液體的特性。
被改變的入射光38離開(kāi)光纜12的第一端14傳輸，并稱之為返回光39，40，41，如圖2所示。返回光39代表了從反應(yīng)元件20反射回來(lái)的光。返回光40代表通過(guò)反應(yīng)元件20的光。在等于或大于入射光38波長(zhǎng)下，從反應(yīng)元件20，返回的光41代表由其吸收后傳輸回來(lái)的光。當(dāng)然，如果在光纜12的第一端14加有反射涂層22，則返回光39，40，41也可包括從反射涂層22反射的部分入射光(38)。
現(xiàn)參照?qǐng)D5，返回光40通過(guò)光束分離器30，該分離器用常規(guī)的方法從返回光40中分離出入射光38。然后返回光40通過(guò)光接收器34到達(dá)分析器36。分析器36用常規(guī)的方法把返回光40與入射光38進(jìn)行比較，并測(cè)量該液體所需的特性。當(dāng)然，本發(fā)明并不限于用于人體內(nèi)部。待測(cè)試的液體，例如血液，可用傳統(tǒng)的方法從人體內(nèi)抽出，并用光纖裝置10來(lái)分析這些抽出的血液。血液的特性可以是(但并不限于)藥品的含量，代謝物的含量，壓力，溫度和溶解的氣體等。
現(xiàn)參照?qǐng)D6-13，這些圖示出了本發(fā)明可能的改型。圖6示出的光纜12具有平面第一端14，該平面相對(duì)于光纜12的縱軸不成90°角，例如成起偏振角?？?8與光纜12的外表面16的圓周同軸，并縱向向內(nèi)延伸。反應(yīng)元件20如圖所示的那樣為一種分散單體置于孔18內(nèi)，而不象圖1和2所示的那樣采用球形體。
圖7所示的光纜12具有一個(gè)截頭錐體(frustaconical)狀的第一端14?？?8與光纜12的外表面16的圓周同軸，并縱向向內(nèi)延伸。
圖8所示的光纜12具有一個(gè)拋物面形的第一端14。孔18與光纜12的外表面16的圓周同軸，并縱向向內(nèi)延伸。
圖9所示的光纜12具有平面第一端14，該平面相對(duì)于光纜12的縱軸不成90°角，這類似于圖6中所示的光纜12。但是，孔18是在接近第一端14處的外表面16上徑向地向內(nèi)延伸。
圖10所示的光纜12具有平面第一端14，而且該平面相對(duì)于光纜12的縱軸不成90°角，在該實(shí)施例中，孔18是一個(gè)繞光纜12圓周延伸的環(huán)形槽，并從光纜12外表面16徑向地向內(nèi)延伸。
圖11所示的光纜12具有平面第一端14，而且該平面基本與光纜12的縱軸垂直，在第一端面14上的孔18穿過(guò)反射涂層22延伸，不與光纜12的外表面16同軸，并與光纜12的縱軸成一角度向內(nèi)延伸。一層耐磨的涂層60如圖所示的那樣復(fù)蓋在反射涂層22上。耐磨涂層60用來(lái)保護(hù)第一端面14和反射涂層22。耐磨涂層60被選擇成既有生物相容性又具有保護(hù)能力。
圖12和13所示的光纜12具有平面第一端14，同時(shí)該平面和光纜12的縱軸基本垂直。在第一端面14上形成有5個(gè)孔18，這些孔在第一端面的表面14上相互隔開(kāi)。5個(gè)孔18可允許裝入不同類型的反應(yīng)元件。(圖示的是包含在光纜12中的反應(yīng)元件50，52，54，56，58)上述每種反應(yīng)元件同入射光38產(chǎn)生不同的相互作用，從而使光接收器34和分析器36僅用一根光纜12就能對(duì)人體內(nèi)的一種以上的特性同時(shí)進(jìn)行光譜分析。不用說(shuō)，光源32，光接收器34和分析器36將必然是更復(fù)雜的組成部件，這是因?yàn)樾枰獜姆祷毓?9，40，41的信息中進(jìn)行信號(hào)分離。
本發(fā)明圖6-13中所示的各種改型具有這樣的特點(diǎn)，即有利于根據(jù)待分析液體的類型，以及其它諸如使用入射光38的類型等因素來(lái)選用。不用說(shuō)，可能影響最適合于給定使用的具體改型的選擇因素是多種多樣的。
雖然本發(fā)明已參照最佳實(shí)施例和具體例子作了詳細(xì)說(shuō)明，但在本發(fā)明的如下面權(quán)利要求
書中所描述和限定的范圍和精神內(nèi)，存在著各種變化和改型。
權(quán)利要求
1.一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的光纖裝置，用于向位于液體中的該裝置的第一端傳輸入射光信號(hào)，并向位于液體外面的該裝置的第二端傳輸返回的光信號(hào)，該返回的光信號(hào)表示出液體的特性，其特征在于該裝置包括--能夠傳輸光的光纜；--在光纜的第一端上形成的孔；--插入在所述孔中的反應(yīng)元件，用于與液體的成份起反應(yīng)，以改變光的性質(zhì)，由此表示出液體的特性。
2.權(quán)利要求
1的裝置，特征在于還包括在光纜的第一端涂敷的反射材料層。
3.權(quán)利要求
2的裝置，特征在于其中反射涂層具有特定的波長(zhǎng)，即使一定波長(zhǎng)的光信號(hào)能被反射涂層反射，而其它波長(zhǎng)能穿過(guò)反射涂層。
4.權(quán)利要求
1的裝置，特征在于其中光纜涂有保護(hù)層。
5.權(quán)利要求
1的裝置，特征在于其中光纜具有一個(gè)中心縱軸，及所述孔從所述第一端軸向地向內(nèi)延伸到所述光纜中。
6.權(quán)利要求
1的裝置，特征在于其中光纜具有一個(gè)中心縱軸，而且所述孔也具有一個(gè)中央縱軸，同時(shí)孔從所述光纜接近所述第一端的外表面徑向地向內(nèi)延伸，以使孔的中心軸基本垂直于光纜的中心軸。
7.權(quán)利要求
1的裝置，特征在于其中所述的孔是一個(gè)在所述光纜接近第一端的外表面環(huán)繞圓周延伸的環(huán)形槽。
8.權(quán)利要求
1的裝置，特征在于其中所述光纜的第一端是平面，所述光纜具有一個(gè)中心縱軸，由所述光纜的第一端和所述光纜的中心軸所限定的角是直角。
9.權(quán)利要求
1的裝置，特征在于其中所述光纜的第一端是平面，所述光纜具有有一個(gè)中心縱軸，由所述光纜的第一端和所述光纜的中心軸所限定的角是非直角。
10.權(quán)利要求
9的裝置，特征在于其中由所述光纜的第一端和所述光纜的中心軸限定的所述角是偏振角。
11.權(quán)利要求
1的裝置，特征在于其中所述光纜的第一端是截頭錐體形的。
12.權(quán)利要求
1的裝置，特征在于其中所述光纜的第一端是拋物面形的。
13.一種檢測(cè)液體成分特性的傳感系統(tǒng)，特征在于該系統(tǒng)包括-一個(gè)光源;-權(quán)利要求
1-12中任何一個(gè)光纖裝置;-與光纜第二端保持聯(lián)系的裝置，以檢測(cè)由光纜傳輸?shù)姆祷毓?和-用于分析所述反射光的裝置，從而測(cè)定液體的特性。
專利摘要
一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的光纖裝置，用于向位于待分析液體中的該裝置的第一端傳輸光信號(hào)，并向位于液體外面的該裝置的第二端傳輸返回的光信號(hào)，返回光信號(hào)指示出液體的特性。該光纖裝置包括在其第一端形成孔的能傳輸光的光纜。反應(yīng)元件基本上整個(gè)地置于該孔中，反應(yīng)元件與液體起反應(yīng)，以改變光的性質(zhì)，由此指示出液體的特性。
文檔編號(hào)G02B1/00GK87100936SQ87100936
公開(kāi)日1987年9月23日 申請(qǐng)日期1987年2月23日
發(fā)明者戴維·利普森, 班杰明·劉, 尼古拉斯·加斯頓·洛貝爾 申請(qǐng)人:伊萊利利公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan