專利名稱：用于物質(zhì)或環(huán)境條件的光學(xué)傳感的裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于物質(zhì)或環(huán)境條件的光學(xué)傳感的裝置和方法。
背景技術(shù)：
作為本發(fā)明的一個(gè)特殊的非限制性的應(yīng)用，本發(fā)明根據(jù)用于傳感氨的應(yīng)用來(lái)例證如下。氨是一種極為重要的散裝化學(xué)品，廣泛用于化肥、塑料和炸藥，也被用作大型工業(yè)制冷系統(tǒng)的冷卻劑。在另一方面，氨是一種有毒的和易燃的氣體，因此需要被監(jiān)控。氨也被列為一種氣體標(biāo)記分子，它能被用于識(shí)別例如尿毒癥和腎損傷等疾病。已經(jīng)開(kāi)發(fā)了多種傳感器用于氨的檢測(cè)。多數(shù)是利用氨的堿度，通過(guò)采用PH敏感的染料來(lái)檢測(cè)。這些傳感器的原理是基于所檢測(cè)的分子的顏色改變，這些分子固定在氣體存在下得光學(xué)結(jié)構(gòu)中。已經(jīng)報(bào)道了幾種方法用于實(shí)現(xiàn)光學(xué)氨傳感器，它們基于在纖維、波導(dǎo)或固定入多孔結(jié)構(gòu)的PH指示劑。在例如動(dòng)物氣息等潮濕環(huán)境中對(duì)氨的檢測(cè)室特別感興趣的。 在這個(gè)反應(yīng)中，需要?dú)鈶B(tài)氨的救助和PH指示劑，因?yàn)橘|(zhì)子/去質(zhì)子反應(yīng)是以水為介質(zhì)的。因此，潮濕是傳感裝置的一個(gè)重要因素，因?yàn)樗苯佑绊懥藗鞲衅鲗?duì)于氨的讀取。在一些例子中，傳感器對(duì)于水蒸汽的反應(yīng)可導(dǎo)致對(duì)氨的交叉敏感，因?yàn)檫@兩種分子都有類似的大小和體積。因此，研究人員已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，水蒸汽需要與氨一起同時(shí)精確地監(jiān)控，以致這些傳感器能被用于特定的用途。Ghadiri等人的美國(guó)專利US 6897965揭示了一種用于物質(zhì)檢測(cè)的方法，在該方法中，一層多孔硅(PSi)以折射指數(shù)改變的指示材料浸漬，當(dāng)它暴露在相應(yīng)的物質(zhì)中時(shí)。在該層的折射指數(shù)的改變是被檢測(cè)為由該層產(chǎn)生的反射干涉圖案的位移。在文獻(xiàn)“Biosensing Using Porous Silicon Double-Layer Interferometers: Reflective Interferometri c Fourier Transform Spectroscopy，，(Claudia Pacholski et al. , J. Am. Chem. Soc. , 2005，127 (33)，11636-11645)和文獻(xiàn) "Humidity-Compensating Sensor for Volatile Organic Compounds Using Stacked Porous Silicon Photonic Crystals，，(Anne Ruminski et al. , Adv. Funct. Mater. 2008, 18，3418 - 34 )中，該方法是被擴(kuò)展為兩層結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，同時(shí)感知兩層堆疊的層的光學(xué)特性的變化，以確定兩個(gè)不同的可變參數(shù)。正如在Pacholski等人的文獻(xiàn)中詳述的，兩個(gè)傳感層的堆疊使輸出的光譜分析顯著復(fù)雜化，因?yàn)槊總€(gè)層各自地和這兩個(gè)層合并地產(chǎn)生反射光譜的相應(yīng)干涉圖案。當(dāng)采用所建議的兩層結(jié)構(gòu)的解決方案時(shí)，這個(gè)方法看起來(lái)不適合用于超過(guò)兩層的概括。因此，有需要開(kāi)發(fā)一種裝置，它將便于通過(guò)簡(jiǎn)單直接的光譜分析來(lái)同時(shí)傳感在流體中的多個(gè)物質(zhì)和/或環(huán)境條件，且便于該裝置的放大以傳感多個(gè)參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的具體實(shí)施方式
是一種用于在流體中物質(zhì)或環(huán)境條件的光學(xué)傳感的裝置和相關(guān)方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方式
，提供了一種用于在流體中物質(zhì)或環(huán)境條件的光學(xué)傳感的裝置，所述裝置包括多個(gè)不重疊的相鄰傳感元件，每個(gè)所述的傳感元件包括用于產(chǎn)生波長(zhǎng)特異干涉效應(yīng)的層狀光學(xué)元件，其中每個(gè)所述的層狀光學(xué)元件是處理過(guò)的以致對(duì)預(yù)定的物質(zhì)或預(yù)定的環(huán)境條件作出響應(yīng)，以導(dǎo)致光學(xué)上可檢測(cè)的改變；以及其中，所述傳感元件是在波長(zhǎng)特異干涉效應(yīng)和所述光學(xué)上可檢測(cè)的改變這兩方面互相區(qū)分的，以致當(dāng)所述裝置是由多波長(zhǎng)照明的普通照明光束來(lái)照射時(shí)，在反射照明或發(fā)射照明上進(jìn)行的光譜分析能夠同時(shí)傳感多個(gè)物質(zhì)或環(huán)境條件。根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的進(jìn)一步特征，所述層狀光學(xué)元件包括至少一層多孔娃。根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的進(jìn)一步特征，所述傳感元件是通過(guò)所述至少一層多孔硅的厚度來(lái)區(qū)分的。根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的進(jìn)一步特征，所述至少一個(gè)所述傳感元件是通過(guò)將指示劑至少部分地放置在所述至少一層多孔硅的孔內(nèi)來(lái)處理的。根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的進(jìn)一步特征，所述至少一個(gè)所述傳感元件是通過(guò)所述至少一層多孔硅的表面的氧化來(lái)處理的。根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的進(jìn)一步特征，每個(gè)傳感元件的所述層狀光學(xué)元件包括至少一層，該層厚度為0. 2至10微米。根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的進(jìn)一步特征，至少一個(gè)所述傳感元件是通過(guò)將指示劑與所述傳感元件相關(guān)聯(lián)來(lái)處理的。根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的進(jìn)一步特征，所述指示劑是至少一層的所述層狀光學(xué)元件的主要結(jié)構(gòu)成分。根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的進(jìn)一步特征，至少一個(gè)所述傳感元件的所述指示劑包括溫度響應(yīng)材料。根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的進(jìn)一步特征，至少一個(gè)所述傳感元件的所述指示劑包括壓力響應(yīng)材料。根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的進(jìn)一步特征，至少一個(gè)所述傳感元件的所述指示劑是對(duì)預(yù)定物質(zhì)或預(yù)定環(huán)境條件的存在作出響應(yīng)的，以在吸收光譜中產(chǎn)生改變。根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的進(jìn)一步特征，至少一個(gè)所述傳感元件的所述指示劑是對(duì)預(yù)定物質(zhì)或預(yù)定環(huán)境條件的存在作出響應(yīng)的，以在折射指數(shù)中產(chǎn)生改變。根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的進(jìn)一步特征，至少一個(gè)所述傳感元件的所述指示劑是對(duì)預(yù)定物質(zhì)或預(yù)定環(huán)境條件的存在作出響應(yīng)的，以在維度中產(chǎn)生改變。根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的進(jìn)一步特征，至少一個(gè)所述傳感元件的所述指示劑包括以下的至少一種pH敏感染料、嚇啉、金屬卟啉、蛋白質(zhì)、抗體和DNA。根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的進(jìn)一步特征，所述多個(gè)傳感元件包括至少三個(gè)傳感元件。根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的進(jìn)一步特征，所述多個(gè)傳感元件包括至少四個(gè)傳感元件。根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的進(jìn)一步特征，還提供了參考元件，配置為與所述多個(gè)傳感元件相鄰的非重疊關(guān)系；所述參考元件包括層狀光學(xué)元件，用于產(chǎn)生區(qū)別于每個(gè)所述傳感元件的波長(zhǎng)特異干涉效應(yīng)的波長(zhǎng)特異干涉效應(yīng)；所述參考元件是不提供指示劑的， 以致當(dāng)與所述傳感元件一起被照明時(shí)可提供校準(zhǔn)參考。根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的進(jìn)一步特征，所述多個(gè)傳感元件是整合在普通半導(dǎo)體芯片上的。根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的進(jìn)一步特征，還提供了照明裝置，引導(dǎo)多波長(zhǎng)的光同時(shí)照向所有的所述參考元件。根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的進(jìn)一步特征，還提供了光譜分析裝置，配置為接收和分離從所述傳感元件反射的或者穿過(guò)所述傳感元件發(fā)射的光的光譜分量，因而識(shí)別對(duì)應(yīng)于每個(gè)傳感元件和/或參考元件的光譜特征，并檢測(cè)在那些指示每個(gè)傳感元件的指示劑的狀態(tài)的光譜特征中的變化。根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，還提供了一種用于在流體中傳感物質(zhì)或環(huán)境條件的方法，包括(a)提供任意前述權(quán)利要求所述的裝置；(b)引導(dǎo)多波長(zhǎng)的光同時(shí)照向所有的所述參考元件；以及(c)分離從所述傳感元件反射的或者穿過(guò)所述傳感元件發(fā)射的光的光譜分量，因而識(shí)別對(duì)應(yīng)于每個(gè)傳感元件和/或參考元件的光譜特征，并檢測(cè)在那些指示每個(gè)傳感元件的指示劑的狀態(tài)的光譜特征中的變化。


本發(fā)明的特定實(shí)施方式在這里將僅通過(guò)實(shí)施例結(jié)合附圖的方式來(lái)進(jìn)行闡述，在這些附圖中
圖IA是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例所構(gòu)建和操作的裝置的示意圖，該裝置用于同時(shí)光學(xué)傳感在流體中的幾種物質(zhì)或環(huán)境條件；
圖IB是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例而應(yīng)用的光譜編碼的原理的示意圖； 圖2是方塊圖，顯示了用于執(zhí)行由圖IA所示的裝置所傳感的參數(shù)的測(cè)量的系統(tǒng)； 圖3A至圖3C是對(duì)于類似于圖IA所示裝置的簡(jiǎn)化的雙元件裝置的示例性實(shí)施方式的反射光譜，分別來(lái)自第一傳感元件、第二傳感元件以及這兩個(gè)傳感元件的結(jié)合，該實(shí)施方式采用固定化PH指示多孔硅和氧化多孔硅；
圖4A和圖4B是分別來(lái)自固定化pH指示多孔硅與氧化多孔硅的反射光譜，每個(gè)圖顯示了在0、100和200 ppm氨處接收的光譜；
圖5A和圖5B是分別來(lái)自固定化pH指示多孔硅與氧化多孔硅的反射光譜，每個(gè)圖顯示了在0%、50 %和100%相對(duì)濕度處接收的光譜；
圖6是一個(gè)圖表，顯示了在三種不同水平的相對(duì)濕度中結(jié)合光譜的FFT ； 圖7是一個(gè)圖表，顯示對(duì)應(yīng)于氧化的PSi傳感器部分，圖6所示的右手峰的強(qiáng)度與相對(duì)濕度的函數(shù)關(guān)系；
圖8是一個(gè)圖表，顯示了在0%、25%和50%的相對(duì)濕度處對(duì)于25和50 ppm氨的結(jié)合光譜的FFT ；
圖9是一個(gè)圖表，顯示對(duì)應(yīng)于傳感元件的濕度響應(yīng)，圖8所示的右手峰的強(qiáng)度與(在0%、 25%和50%處測(cè)量的)相對(duì)濕度的函數(shù)關(guān)系；
圖10是一個(gè)圖表，顯示對(duì)應(yīng)于pH指示傳感部分的氨響應(yīng)，圖8所示的左手峰的強(qiáng)度與對(duì)于三個(gè)水平的相對(duì)濕度(0%、25%和50%)的氨濃度的函數(shù)關(guān)系；圖11是一個(gè)圖表，顯示了在呼吸測(cè)試有關(guān)的范圍內(nèi)，從另一個(gè)采用低氨濃度的實(shí)施例中測(cè)定的氨相關(guān)峰的強(qiáng)度。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的具體實(shí)施方式
是一種用于在流體中物質(zhì)或環(huán)境條件的光學(xué)傳感的裝置和相關(guān)方法。根據(jù)本發(fā)明所示的裝置和方法的原理和操作可以通過(guò)參考附圖和相關(guān)的說(shuō)明而獲得更好的理解。概述
現(xiàn)在參考附圖，圖IA圖解地顯示一種根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的教導(dǎo)所構(gòu)建和操作的裝置，標(biāo)示為10，該裝置用于在流體(液相或氣相)中同時(shí)光學(xué)傳感幾種物質(zhì)或環(huán)境條件。 優(yōu)選地，裝置10包括多個(gè)不重疊的相鄰傳感元件12。典型地，每個(gè)傳感元件12包括用于產(chǎn)生波長(zhǎng)特異干涉效應(yīng)的層狀光學(xué)元件。每個(gè)層狀光學(xué)元件是處理過(guò)的，例如通過(guò)供應(yīng)與層狀光學(xué)元件關(guān)聯(lián)的指示劑，以致對(duì)預(yù)定的物質(zhì)或預(yù)定的環(huán)境條件作出響應(yīng)，以導(dǎo)致光學(xué)上可檢測(cè)的改變。根據(jù)一組特定優(yōu)選的非限制性實(shí)施例，傳感元件12是被實(shí)施為多孔硅 (PSi)區(qū)域，且在該P(yáng)Si的孔內(nèi)施加指示劑。優(yōu)選地，每個(gè)傳感元件是在波長(zhǎng)特異干涉效應(yīng)和所述光學(xué)上可檢測(cè)的改變這兩方面區(qū)別于所有其他傳感元件，以致當(dāng)該裝置是由多波長(zhǎng)照明的普通照明光束來(lái)照射時(shí)，在反射照明或發(fā)射照明上進(jìn)行的光譜分析能夠同時(shí)傳感多個(gè)物質(zhì)或環(huán)境條件。因此，在一個(gè)實(shí)施例中，裝置10實(shí)際上是作為一個(gè)傳感器陣列，其中，每個(gè)部分是以不同功能的多孔硅來(lái)制成，例如不同的固定化指示染料。通過(guò)實(shí)施例，在每個(gè)實(shí)施例中， PSi膜可以具有不同的厚度和/或多孔性，以致每個(gè)傳感器陣列的薄膜反射光譜周期性變動(dòng)。該周期性區(qū)別有效地編碼了這樣的光譜，其中，可采用光譜數(shù)據(jù)分析方法來(lái)分析區(qū)別性變化。圖2圖解地顯示了一個(gè)示例性的非限制的詢問(wèn)裝置的實(shí)施例，標(biāo)示為14，用于讀取裝置10。可以通過(guò)校準(zhǔn)來(lái)自白光源16的白光來(lái)進(jìn)行裝置的讀取，通過(guò)照明光纖18來(lái)一次性照射所有傳感元件12。從該傳感元件反射的光是通過(guò)接收光纖20收集，并典型地通過(guò)單獨(dú)的光纖傳送到分光計(jì)，這里圖解地以色散元件22、傳感器陣列M和讀取接口沈來(lái)表示。因?yàn)樵诠馐占袥](méi)有進(jìn)行成像，所獲得的光譜包括許多重疊的干涉光譜，每個(gè)光譜是從不同傳感元件反射而來(lái)。為了分離關(guān)于每個(gè)傳感元件的信息，所傳感的數(shù)據(jù)是通過(guò)處理器 28來(lái)處理，應(yīng)用FFT算法來(lái)合并光譜。圖IB圖解地顯示了這里作為示例的光譜編碼方法的原理。特別地，三個(gè)不同傳感區(qū)域，分別標(biāo)記為12a、12b和12c，被實(shí)施為不同厚度的層，以相應(yīng)的不同特征頻率變化圖案引起反射的干涉圖案。全部反射光譜響應(yīng)是顯示在13。通過(guò)由傅里葉變換處理這個(gè)光譜， 對(duì)應(yīng)于每個(gè)傳感元件的峰可被清楚地區(qū)分。然后，這個(gè)峰在振幅、形狀和位置的變化可被用于追蹤指示劑的光學(xué)特性的變化，或者追蹤其他與相應(yīng)的傳感元件相關(guān)聯(lián)的光學(xué)變量。在傅里葉變換后的光譜中，每個(gè)多孔硅傳感器的峰將會(huì)被分開(kāi)，以便獲得良好的材料辨別，這是優(yōu)選的方式。該峰的位置取決于折射指數(shù)(多孔性)和層的厚度，在多孔硅的電化學(xué)處理中，這些參數(shù)是容易控制，正如現(xiàn)有技術(shù)中已知的。
定義
在更詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明的特定實(shí)施方式的特征之前，有必要對(duì)這里的說(shuō)明書和權(quán)利要求書中采用的特定術(shù)語(yǔ)作出定義。首先，所謂元件“是處理過(guò)的，以致對(duì)預(yù)定的物質(zhì)或預(yù)定的環(huán)境條件作出響應(yīng)，以導(dǎo)致光學(xué)上可檢測(cè)的改變”是指任何處理，通過(guò)光學(xué)層狀結(jié)構(gòu)自身的化學(xué)或物理處理，或者通過(guò)在它們上加入補(bǔ)充材料以浸透該結(jié)構(gòu)帶有所需的可變的光學(xué)特性。該光學(xué)上可檢測(cè)的改變是不足以提供關(guān)于物質(zhì)或環(huán)境條件的直接數(shù)據(jù)的，可能需要結(jié)合附加的數(shù)據(jù)，例如，通過(guò)其他傳感元件測(cè)量的其他相關(guān)參數(shù)，將在下面關(guān)于氨傳感器的例子中做示例性說(shuō)明。對(duì)于物質(zhì)或參數(shù)的存在的響應(yīng)可以是雙重響應(yīng)(例如，極限)，或者可以使聯(lián)系響應(yīng)(定量)。術(shù)語(yǔ)“預(yù)定物質(zhì)或預(yù)定環(huán)境條件”包括所有種類的化學(xué)和物理?xiàng)l件，包括但不限于給出的元件，化合物或化合物的組合，更多的常用的化學(xué)條件，例如PH、氧化條件或還原條件，以及物理參數(shù)，例如溫度、壓力、離子輻射或非例子輻射的各種類型。所謂的“至少兩個(gè)預(yù)定的物質(zhì)或預(yù)定的環(huán)境條件”是指至少兩個(gè)物質(zhì)和兩個(gè)環(huán)境條件、至少兩個(gè)物質(zhì)、至少兩個(gè)環(huán)境條件，或者至少一個(gè)物質(zhì)和一個(gè)環(huán)境條件?！爸辽偃齻€(gè)” 或任意其他數(shù)量也是類似地進(jìn)行解釋。當(dāng)指?jìng)鞲性恰跋噜彙睍r(shí)，這是指這些元件足夠接近于便利同時(shí)以詢問(wèn)光束來(lái)照射。優(yōu)選地，這些傳感元件是位于非常接近的包裝裝置內(nèi)，每個(gè)傳感元件與它的相鄰的傳感元件的最大距離是約10%的自身尺寸。這里所用的術(shù)語(yǔ)“不重疊”是指這些元件的表面能同時(shí)被直接照射到，無(wú)需讓照射光穿過(guò)另一個(gè)傳感元件，相比于上述的I^acholski和Ruminski的堆疊的傳感器結(jié)構(gòu)。在本文中的術(shù)語(yǔ)“層狀光學(xué)元件”是用于指具有一個(gè)或多個(gè)層布置在它們上的任意結(jié)構(gòu)，以均一的層，或者以內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以致產(chǎn)生波長(zhǎng)特異干涉效應(yīng)。在一些例子中，可采用多層結(jié)構(gòu)，由許多層制成，每層具有稍微不同的光學(xué)和/或化學(xué)特性。在本文中的術(shù)語(yǔ)“波長(zhǎng)特異”是指具有可區(qū)分的波長(zhǎng)的任意光學(xué)響應(yīng)，取決于一個(gè)或多個(gè)特異波長(zhǎng)或波長(zhǎng)帶。用于在本發(fā)明的讀取裝置的多種優(yōu)選實(shí)施方式是指“非成像”的讀取，這意味著， 色散元件22同時(shí)接收由超過(guò)一個(gè)傳感元件12發(fā)射或反射的光。裝置結(jié)構(gòu)
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到裝置10的更詳細(xì)的特征，如上所述，在特定優(yōu)選實(shí)施例中，至少一個(gè)層狀光學(xué)元件包括至少一個(gè)多孔硅的層。優(yōu)選地，不同傳感元件是通過(guò)所述至少一層的多孔硅的厚度來(lái)區(qū)別的。多孔硅的采用使能將指示劑材料至少部分地放置在多孔硅層的孔內(nèi)。在特定優(yōu)選實(shí)施例中，每個(gè)傳感元件包括至少一層厚度為0. 2至10微米的層。在傳感元件12中發(fā)生的光學(xué)上可檢測(cè)的改變可以是許多不同類型的改變中的一個(gè)或多個(gè)變化。例子包括但不限于在吸收光譜中的改變(在或不在可見(jiàn)光范圍)，在折射指數(shù)上的改變，以及在層厚度上的改變。在特定優(yōu)選實(shí)施例中，至少一個(gè)傳感元件的指示劑包括溫度響應(yīng)材料。溫度響應(yīng)材料的例子包括熱致變色材料，例如
甲酚紅染料[A. Seeboth et. al.，J. Mater. Chem.，vol. 9，pp. 2277-2278， 1999]
甜菜堿染料 2，6-diphenyl-4-(2, 4，6-triphenylpyridinio)苯酚[A. Seeboth et.al.，J. Mater. Chem.，vol. 9，pp. 2277—2278，1999]
Reichardt' s 染料[Μ. C. Burt and B. C. Dave, Sensors and Actuators B 107, 552 - 556，2005]
spiroxazine 7 [S. H. Kim et. al. Dyes and Pigments, 53, 251 - 256, 2002]。在特定優(yōu)選實(shí)施例中，至少一個(gè)傳感元件的指示劑包括壓力響應(yīng)材料。壓力響應(yīng)材料的例子包括壓致變色材料，例如
甜菜堿染料 3 [C. Reichardt et. al.，Pure & Appl. Chem.，vol. 65，no. 12， pp. 2593-2601， 1993]
聚(噻吩)[Leclerc, Advanced Materials, 11，18，1491-1498，1999] 聚(燒基硅燒)[Song et al, Macromolecules, 25，3629-3632，1992] pentacyanoferrates(II) [S. Alshehri at. Al. , Transition Metal Chemistry, Vol. 18，no. 6，1993]。在特定優(yōu)選實(shí)施例中，與至少一個(gè)傳感元件相關(guān)聯(lián)的指示劑是對(duì)預(yù)定物質(zhì)或預(yù)定環(huán)境條件的存在作出響應(yīng)的，以在吸收光譜中產(chǎn)生改變。這可將自身表示為顏色改變，或表示為在所吸收、發(fā)射或發(fā)射光的波長(zhǎng)的相關(guān)強(qiáng)度上的任意其他改變，無(wú)論是可見(jiàn)光還是不可見(jiàn)光。在特定優(yōu)選實(shí)施例中，與至少一個(gè)傳感元件相關(guān)聯(lián)的指示劑是對(duì)預(yù)定物質(zhì)或預(yù)定環(huán)境條件的存在作出響應(yīng)的，以在折射指數(shù)中產(chǎn)生改變。在特定實(shí)施例中，與至少一個(gè)傳感元件相關(guān)聯(lián)的指示劑是對(duì)預(yù)定物質(zhì)或預(yù)定環(huán)境條件的存在作出響應(yīng)的，以在維度中產(chǎn)生改變。這樣的材料的例子包括因膨脹而改變層厚度的材料，例如
聚(乙烯-醋酸乙烯)[T. J. Plum, IEEE Explore, 2006]
pH-敏感的水凝膠[M. Lei et. al. , In: 17th IEEE MEMS Conference. Maastricht, The Netherlands: IEEE MEMS, 2004:391 - 394]
PBA 7jC凝膠[Y. Gu and R. A. Siegel, In: 28th International Symposium on Controlled Release of Bioactive Materials, San Diego, CA. Minneapolis, MN: The Controlled Release Society, 2001。在特定優(yōu)選實(shí)施例中，與至少一個(gè)傳感元件相關(guān)聯(lián)的指示劑包括以下的至少一種PH敏感染料、卟啉、金屬卟啉、蛋白質(zhì)、抗體和DNA。如之前所述，傳感元件的并排布置的一個(gè)特殊優(yōu)勢(shì)是該裝置可被按比例包括三個(gè)、四個(gè)或更多傳感元件。在圖1和圖2所示的示意圖中，裝置10被顯示為具有六個(gè)區(qū)分的傳感元件12。可選地，附加于或代替其中一個(gè)傳感元件12，提供了一個(gè)參考元件，配置為與所述多個(gè)傳感元件相鄰的非重疊關(guān)系。該參考元件包括層狀光學(xué)元件，用于產(chǎn)生區(qū)別于每個(gè)所述傳感元件的波長(zhǎng)特異干涉效應(yīng)的波長(zhǎng)特異干涉效應(yīng)，但不提供指示劑。這樣，當(dāng)與所述傳感元件一起被照明時(shí)，可提供校準(zhǔn)參考，便于消除可能由在照明強(qiáng)度或與傳感器讀取過(guò)程不相關(guān)的任意其他變化帶來(lái)的任何誤差。在特定優(yōu)選實(shí)施例中，多個(gè)傳感元件是整合在普通半導(dǎo)體芯片上的。因此，該裝置可以被可選地整合為“芯片上的實(shí)驗(yàn)室”裝置的一部分，例如，構(gòu)成這樣的電路至少部分的傳感器讀取裝置是與傳感元件一起整合在單獨(dú)的芯片上。傳感器讀取裝置
為了讀取所述裝置的輸出數(shù)據(jù)，采用一個(gè)照明裝置來(lái)引導(dǎo)多波長(zhǎng)光(例如，白光)同時(shí)照射到所有的參考元件。光譜分析裝置被配置為接收和分離從所述傳感元件反射的或者穿過(guò)所述傳感元件發(fā)射的光的光譜分量，因而識(shí)別對(duì)應(yīng)于每個(gè)傳感元件和/或參考元件的光譜特征，并檢測(cè)在那些指示每個(gè)傳感元件的指示劑的狀態(tài)的光譜特征中的變化。用于讀取裝置10的詢問(wèn)裝置14的示例性的實(shí)施例是顯示在圖2中，在上面至少部分地描述過(guò)。詢問(wèn)裝置14的照明裝置和光譜分析裝置可以與這里所描述的傳感裝置10 一起整合，以形成一個(gè)獨(dú)立自足的傳感裝置?？商娲?，詢問(wèn)裝置14可以是一個(gè)分離的“閱讀器”單元、可選的便攜式單元，它能被校準(zhǔn)以讀取多個(gè)不同傳感裝置的每個(gè)裝置。取決于精選的應(yīng)用和所述系統(tǒng)的實(shí)施類型，裝置14通常具有多種附加特征。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置32通常存儲(chǔ)多種需要用于從傳感器中讀取數(shù)據(jù)的衍生和解釋的數(shù)據(jù)，這可包括用于傳感器、查詢表或參數(shù)模型的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，用于確定所述傳感器的輸出?；谙旅嫠龅慕M合的氨和濕度傳感裝置的特定例子的詳細(xì)說(shuō)明，從所傳感的光譜數(shù)據(jù)中讀取的衍生輸出的所需程序的更多細(xì)節(jié)應(yīng)是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置32也可以存儲(chǔ)傳感器輸出，用于之后的恢復(fù)。通常提供一個(gè)顯示器 30來(lái)提供中間反饋給操作員作為傳感器輸出，可提供用戶控制器34以驅(qū)動(dòng)該傳感器并定義任意使用者所定義的設(shè)置。需要明確的是，輸入和輸出特征都不排除其他選項(xiàng)，這些選項(xiàng)也落入本說(shuō)明書的范圍之內(nèi)，例如，有線或無(wú)線通訊的遠(yuǎn)程操作傳感器，而無(wú)需任何本地顯示或用戶控制。雖然根據(jù)特定優(yōu)選的實(shí)施例所述的采用白光照明和光譜分析的詢問(wèn)裝置已經(jīng)在這里描述了，但是其他傳感器讀取形式也可被采用，它們都落入本發(fā)明的范圍之內(nèi)。例如， 在一些例子中，所述傳感器的讀取可以采用可調(diào)單色照明光源分級(jí)或掃描穿過(guò)給定的與裝置10的輸出相關(guān)的波長(zhǎng)范圍。雖然這個(gè)方法大大增加了所需照明裝置的復(fù)雜性，這可通過(guò)簡(jiǎn)化光學(xué)監(jiān)控裝置來(lái)補(bǔ)償，它不需要光譜分析。為了更完整地說(shuō)明本發(fā)明的特定實(shí)施例的原理，以及它們的實(shí)際實(shí)施的示例性方面，現(xiàn)在將以關(guān)于氨和空氣濕度的傳感為特定例子進(jìn)行說(shuō)明。從這個(gè)例子的細(xì)節(jié)中，本領(lǐng)域技術(shù)人員將清楚地明確如何實(shí)施更廣范圍的應(yīng)用。實(shí)施例I——氨傳感器概述
構(gòu)建一個(gè)雙傳感元件的裝置，其中，樣品被分為兩部分一部分用于水蒸汽，另一部分用于氨。因此，一半是由氧化的多孔硅制成，而另一半是由具有固定在孔內(nèi)的化學(xué)PH指示染料的多孔硅制成。正如下面所說(shuō)明的，氧化的部分是對(duì)于水蒸汽可逆的高敏感性的，因此被用作濕度傳感器。基于多孔硅的濕度傳感器已經(jīng)在文獻(xiàn)中被報(bào)道(例如，在C. J. Oton et al. "Multiparametric porous silicon gas sensors with improved quality and sensitivity, " Phys. Stat. Sol. (a), vol. 197，no. 2，pp. 523—527，May 2003)。固定進(jìn)入第二部分的pH指示染料可同時(shí)響應(yīng)氨的濃度和濕度。這兩種傳感器的結(jié)合使用使能夠?qū)@兩種成分進(jìn)行分開(kāi)測(cè)定。每半部分的反射光譜是表示在圖3A和圖;3B中，從兩種樣品反射的結(jié)合光譜是顯示在圖3C中。
圖3C是從單獨(dú)的白光中接收的結(jié)合光譜圖，正如在圖3C中可見(jiàn)，不允許來(lái)自每個(gè)部分的信號(hào)的辨別，因?yàn)槲覀児ぷ髟诜浅上駰l件下。觀察圖3A和圖:3B，可明確的是，在這兩個(gè)圖表中，正弦曲線形狀具有準(zhǔn)周期性的外觀。正如已知的，單一薄膜的反射的理想響應(yīng)是周期性在(l/λ)與后續(xù)峰的距離由下式確定
權(quán)利要求
1.一種用于在流體中物質(zhì)或環(huán)境條件的光學(xué)傳感的裝置，所述裝置包括多個(gè)不重疊的相鄰傳感元件，每個(gè)所述的傳感元件包括用于產(chǎn)生波長(zhǎng)特異干涉效應(yīng)的層狀光學(xué)元件，其中每個(gè)所述的層狀光學(xué)元件是處理過(guò)的以致對(duì)預(yù)定的物質(zhì)或預(yù)定的環(huán)境條件作出響應(yīng)，以導(dǎo)致光學(xué)上可檢測(cè)的改變；以及其中，所述傳感元件是在波長(zhǎng)特異干涉效應(yīng)和所述光學(xué)上可檢測(cè)的改變這兩方面互相區(qū)分的，以致當(dāng)所述裝置是由多波長(zhǎng)照明的普通照明光束來(lái)照射時(shí)，在反射照明或發(fā)射照明上進(jìn)行的光譜分析能夠同時(shí)傳感多個(gè)物質(zhì)或環(huán)境條件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述層狀光學(xué)元件包括至少一層多孔硅。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于所述傳感元件是通過(guò)所述至少一層多孔硅的厚度來(lái)區(qū)分的。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于所述至少一個(gè)所述傳感元件是通過(guò)將指示劑至少部分地放置在所述至少一層多孔硅的孔內(nèi)來(lái)處理的。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于所述至少一個(gè)所述傳感元件是通過(guò)所述至少一層多孔硅的表面的氧化來(lái)處理的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于每個(gè)傳感元件的所述層狀光學(xué)元件包括至少一層，該層厚度為0. 2至10微米。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于至少一個(gè)所述傳感元件是通過(guò)將指示劑與所述傳感元件相關(guān)聯(lián)來(lái)處理的。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于所述指示劑是至少一層的所述層狀光學(xué)元件的主要結(jié)構(gòu)成分。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于至少一個(gè)所述傳感元件的所述指示劑包括溫度響應(yīng)材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于至少一個(gè)所述傳感元件的所述指示劑包括壓力響應(yīng)材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于至少一個(gè)所述傳感元件的所述指示劑是對(duì)預(yù)定物質(zhì)或預(yù)定環(huán)境條件的存在作出響應(yīng)的，以在吸收光譜中產(chǎn)生改變。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于至少一個(gè)所述傳感元件的所述指示劑是對(duì)預(yù)定物質(zhì)或預(yù)定環(huán)境條件的存在作出響應(yīng)的，以在折射指數(shù)中產(chǎn)生改變。
13.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于至少一個(gè)所述傳感元件的所述指示劑是對(duì)預(yù)定物質(zhì)或預(yù)定環(huán)境條件的存在作出響應(yīng)的，以在維度中產(chǎn)生改變。
14.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于至少一個(gè)所述傳感元件的所述指示劑包括以下的至少一種pH敏感染料、嚇啉、金屬卟啉、蛋白質(zhì)、抗體和DNA。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述多個(gè)傳感元件包括至少三個(gè)傳感元件。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述多個(gè)傳感元件包括至少四個(gè)傳感元件。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括參考元件，配置為與所述多個(gè)傳感元件相鄰的非重疊關(guān)系；所述參考元件包括層狀光學(xué)元件，用于產(chǎn)生區(qū)別于每個(gè)所述傳感元件的波長(zhǎng)特異干涉效應(yīng)的波長(zhǎng)特異干涉效應(yīng)；所述參考元件是不提供指示劑的，以致當(dāng)與所述傳感元件一起被照射時(shí)可提供校準(zhǔn)參考。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述多個(gè)傳感元件是整合在普通半導(dǎo)體芯片上的。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的芯片，其特征在于還包括照明裝置，引導(dǎo)多波長(zhǎng)的光同時(shí)照向所有的所述參考元件。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，其特征在于還包括光譜分析裝置，配置為接收和分離從所述傳感元件反射的或者穿過(guò)所述傳感元件發(fā)射的光的光譜分量，因而識(shí)別對(duì)應(yīng)于每個(gè)傳感元件和/或參考元件的光譜特征，并檢測(cè)在那些指示每個(gè)傳感元件的指示劑的狀態(tài)的光譜特征中的變化。
21.一種用于在流體中傳感物質(zhì)或環(huán)境條件的方法，包括(a)提供任意前述權(quán)利要求所述的裝置；(b)引導(dǎo)多波長(zhǎng)的光同時(shí)照向所有的所述參考元件；以及(c)分離從所述傳感元件反射的或者穿過(guò)所述傳感元件發(fā)射的光的光譜分量，因而識(shí)別對(duì)應(yīng)于每個(gè)傳感元件和/或參考元件的光譜特征，并檢測(cè)在那些指示每個(gè)傳感元件的指示劑的狀態(tài)的光譜特征中的變化。
全文摘要
一種用于在流體中物質(zhì)或環(huán)境條件的光學(xué)傳感的裝置，該裝置包括多個(gè)不重疊的相鄰傳感元件，每個(gè)所述的傳感元件包括用于產(chǎn)生波長(zhǎng)特異干涉效應(yīng)的層狀光學(xué)元件，其中每個(gè)所述的層狀光學(xué)元件是處理過(guò)的以致對(duì)預(yù)定的物質(zhì)或預(yù)定的環(huán)境條件作出響應(yīng)，以導(dǎo)致光學(xué)上可檢測(cè)的改變。所述傳感元件是在波長(zhǎng)特異干涉效應(yīng)和所述光學(xué)上可檢測(cè)的改變這兩方面互相區(qū)分的。結(jié)果，當(dāng)所述裝置是由多波長(zhǎng)照明的普通照明光束來(lái)照射時(shí)，在反射照明或發(fā)射照明上進(jìn)行的光譜分析能夠同時(shí)傳感多個(gè)物質(zhì)或環(huán)境條件。在特定優(yōu)選的實(shí)施例中，所述層狀光學(xué)元件包括至少一層多孔硅。
文檔編號(hào)G01N33/00GK102317760SQ201080012259
公開(kāi)日2012年1月11日 申請(qǐng)日期2010年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月16日
發(fā)明者所羅門·魯施, 譚雅·胡特爾 申請(qǐng)人:拉莫特亞特特拉維夫大學(xué)有限公司