檢測分子的方法及光學傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種借助光學傳感器檢測特定物質(zhì)的分子的方法。該方法包括以下步驟：使所述傳感器與待分析的流體接觸，將第一波長(λ1)的光耦合至所述傳感器的光學共振器(3)中，所述共振器(3)至少部分地覆蓋有用于選擇性吸收一組物質(zhì)的覆蓋材料的活性層，將第二波長(λ2)的光耦合至所述傳感器的同一共振器(3)中或第二光學共振器(3′)中，所述第二共振器(3′)至少部分地覆蓋有同一覆蓋材料的活性層，對于所述第一波長和所述第二波長(λ1,λ2)中的每一個，檢測從包含相應(yīng)共振器(3,3′)的光路耦合出的光信號，改變相應(yīng)共振器(3,3′)的光程或相應(yīng)的波長(λ1,λ2)，從而掃描含有相應(yīng)共振器(3,3′)的至少一個共振的間隔，和-通過所述共振器(3,3′)的活性層處累積的分子，檢測該共振的展寬，所述共振的展寬表明對進入相應(yīng)共振器(3,3′)的光的吸收。本發(fā)明還涉及一種為實施該方法而設(shè)計的光學傳感器。
【專利說明】檢測分子的方法及光學傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種檢測特定物質(zhì)的分子的方法及為實施該方法而設(shè)計的光學傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]文獻EP 2 270 478 Al描述了一種光學傳感器，包含光路，用于產(chǎn)生光并將該光供給到光路中的光源，和用于檢測從第一光路耦合出的光信號的光檢測器，其中，所述光路包括光學共振器等，所述光學共振器至少部分地覆蓋有用于選擇性吸收某一特定種類分子的覆蓋材料的活性層。用該傳感器實施的測量利用的是吸收的分子影響共振器光程使該共振器的共振頻率發(fā)生改變，而這又可通過檢測從所述光路耦合出的光進行檢測。因此，可以檢測與活性層接觸的流體是否含有特定種類的分子。
[0003]即使選擇性極強的材料被用于活性層，該層仍然不是僅確切地吸收一種物質(zhì)的分子而是吸收整組物質(zhì)的分子。這特別是適用于化學性質(zhì)相似的物質(zhì)。由于這一原因，在上述提及的現(xiàn)有技術(shù)水平下無法避免不確定性，因此仍然不能確定，所檢測的分子是否真的具有待檢測的特定物質(zhì)或者僅是化學性質(zhì)相似。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種更精確的方法和相應(yīng)的傳感器，用于檢測特定物質(zhì)的分子，避免不確定性。此外，應(yīng)該能夠用很少的努力并在較短時間內(nèi)實施該方法和實施相應(yīng)的測量。
[0005]根據(jù)本發(fā)明，所述目的通過權(quán)利要求1所述的方法和權(quán)利要求6或16中任一項所述的傳感器而實現(xiàn)。本發(fā)明的有利實施方案可用從屬權(quán)利要求的特征來實現(xiàn)。
[0006]所提供的通過光學傳感器檢測特定物質(zhì)的分子的方法包括
[0007]-使所述傳感器與待分析的流體接觸，
[0008]-將第一波長的光耦合至所述傳感器的光學共振器中，所述共振器至少部分地覆蓋有用于選擇性地吸收一組物質(zhì)的覆蓋材料的活性層，所述一組物質(zhì)包括待檢測的物質(zhì)，
[0009]-將第二波長的光耦合至所述傳感器的同一共振器中或第二光學共振器中，所述第二共振器至少部分地覆蓋有同一覆蓋材料的活性層，
[0010]-對于所述第一波長和所述第二波長中的每一個，檢測從包含相應(yīng)共振器的光路率禹合出的光信號，
[0011]-對于所述第一波長和所述第二波長中的每一個，改變相應(yīng)共振器的光程或相應(yīng)的波長，從而掃描包含相應(yīng)共振器的至少一個共振的間隔，
[0012]-對于所述第一和第二波長中的每一個，通過所述共振器的活性層處累積的分子，檢測該共振的展寬，所述共振的展寬表明對進入相應(yīng)共振器的光的吸收。
[0013]本文中，檢測共振的展寬是指檢測或測量相應(yīng)共振的寬度，并將該寬度與參考值進行比較。優(yōu)選地，所述參考值選擇為在傳感器不與待分析的流體接觸并因而不受其影響時的同一共振的寬度。它可以定義為，例如，當傳感器與參考流體，例如水或空氣，接觸時測得的相應(yīng)共振的寬度?？梢詸z測到不同共振的展寬，原因在于在使傳感器與待分析的流體接觸之前另外實施同樣的測量，或者從所述傳感器中除去待分析的流體之后和/或使傳感器與參考流體接觸之后再次實施同樣的測量。
[0014]可使用任何通常的測量來限定所述相應(yīng)共振的寬度。所述寬度例如可定義為由相應(yīng)共振的共振波長分離的兩個波長的半最大值處的全寬或該兩個波長之間的差值，對應(yīng)于該共振的兩個邊緣的最大坡度的點或拐點(inflection point)。
[0015]在本文中，術(shù)語流體可以表示任何分析物。特別是，該術(shù)語可以表示液體或氣體。
[0016]通過這種方法，不僅獲得關(guān)于流體中所含的任何物質(zhì)的分子是否被一個或多個活性層吸收的信息。此外，當?shù)谝徊ㄩL和第二波長不同時，獲得這些分子對兩個不同波長的光吸收行為的信息。這有助于確定所吸收的分子是一在活性層用作選擇性吸收劑的物質(zhì)組中的一哪種物質(zhì)。當然，可以通過對至少一種另外的波長實施相同的分析來概括出該方法。
[0017]特別地，在實施上述步驟后，根據(jù)僅針對第一波長或僅針對第二波長或針對這兩個波長是否可以檢測到共振的展寬一或超出一定閾值的展寬，可以確定所述流體是否含有待檢測物質(zhì)的分子。因此，該方法可以進一步包括:根據(jù)僅針對第一波長或僅針對第二波長或針對這兩個波長是否檢測到超出一定閾值的展寬，識別所述流體是否含有明顯濃度的待檢測物質(zhì)的分子。為此，所述第一波長和所述第二波長可以選擇為物質(zhì)組中的一個或多個物質(zhì)而不是其中所有物質(zhì)的典型吸收波長。
[0018]所述第一波長和所述第二波長之間的差值通常會選擇為比共振器或每一個共振器在相應(yīng)波長處相鄰共振之間的間距(spacing)大至少一個數(shù)量級一通常大幾個數(shù)量級。在本文中，數(shù)量級應(yīng)理解為以十倍計。
[0019]在所述方法的一個優(yōu)選實施方案中，對所述第一波長和所述第二波長中的至少一個，除了展寬之外，還確定共振的位移，所述位移表明相應(yīng)共振器的光程的變化，所述變化是由該共振器的活性層處累積的分子引起的。這使得分析更精確，因為位移表明分子已被活性層吸收并且甚至可以作為對所吸收的物質(zhì)的量的量度，因此可以在考慮所述量的基礎(chǔ)上來評價所述展寬。特別地，根據(jù)一種或另一種共振的位移，可以定義前文針對共振的展寬(用于確定流體中是否含有一種或其他物質(zhì))所提到的閾值。
[0020]在每種情況下，可以通過確定在所述間隔內(nèi)光信號相對波長的導數(shù)以及確定共振處該導數(shù)的兩個極值之間的間距而容易地檢測共振的展寬，所述間距為所述展寬的量度。更精確地，所述兩個極值為所述導數(shù)的絕對值的兩個最大值。為此，所述導數(shù)可以借助鎖定放大器按如下確定:用調(diào)制信號調(diào)制共振器光程或波長，將用于檢測光信號的光檢測器的輸出供入鎖定放大器中，以及使用調(diào)制信號作為該鎖定放大器的參考信號。
[0021]為了按上文所述檢測特定物質(zhì)的分子，提出了兩個類似的光學傳感器，兩者能實現(xiàn)同樣的目的。
[0022]在本發(fā)明的第一實施方案中，用于檢測特定物質(zhì)的分子的光學傳感器包含
[0023]-第一光路、用于產(chǎn)生第一波長的光的第一光源和第一光檢測器，所述第一光源光耦合至所述第一光路以將所述第一波長的光供入所述第一光路，所述第一光檢測器光耦合至所述第一光路以檢測從所述第一光路耦合出的光信號，
[0024]-所述傳感器還包含第二光路、用于產(chǎn)生第二波長的光的第二光源和第二光檢測器，所述第二光源光耦合至所述第二光路以將所述第二波長的光供入所述第二光路中，所述第二光檢測器光耦合至所述第二光路以檢測從所述第二光路耦合出的光信號。
[0025]所述第一光路和所述第二光路中的每一個均含有光學共振器，所述光學共振器至少部分地覆蓋有用于選擇性吸收一組物質(zhì)的覆蓋材料的活性層，所述一組物質(zhì)包括待檢測的物質(zhì)，所述覆蓋材料對于所述第一光路的共振器和所述第二光路的共振器而言是相同的。兩個光路的共振器和/或所述第一光源及所述第二光源是可調(diào)節(jié)的，以改變所述共振器的光程和/或所述第一波長及所述第二波長，所述傳感器還包含控制單元，用于控制所述光源和/或所述共振器，所述控制單元被配置為，用于改變所述共振器的光程和/或所述第一波長及所述第二波長，從而掃描包含相應(yīng)共振器的至少一個共振的間隔。
[0026]所述第一波長和所述第二波長是不同的。通常，所述第一波長和所述第二波長之間的差為，比共振器中每一個在相應(yīng)波長處的相鄰共振之間的間距大至少一個數(shù)量級——優(yōu)選幾個數(shù)量級。在此情況下，通過改變所述第一波長和所述第二波長而掃描到的間隔或等效地通過改變相應(yīng)共振器的光程而使所述共振發(fā)生位移而掃描到的波長間隔，應(yīng)理解為比所述第一波長和所述第二波長之間的差值小至少一個數(shù)量級。這也適用于下文所述的第二實施方案。因此，即使所述第一波長和所述第二波長發(fā)生改變，仍可清楚地將它們的不同波長或波長間隔進行相互區(qū)分。
[0027]在本發(fā)明的第二實施方案中，用于檢測特定物質(zhì)的分子的光學傳感器包含光路、用于產(chǎn)生第一波長及第二波長的光的至少一個光源、光檢測器，所述至少一個光源光耦合至所述光路以將所述第一波長和所述第二波長的光耦合至該同一光路中，所述光檢測器光耦合至所述光路以檢測從該光路中耦合出的光信號。同樣在此情況下，所述光路含有光學共振器，該光學共振器至少部分地覆蓋有用于選擇性吸收一組物質(zhì)的覆蓋材料的活性層，所述一組物質(zhì)包括待檢測的物質(zhì)。另外，所述第一波長和所述第二波長之間的差典型地比共振器在所述第一波長和所述第二波長中的每一個處的相鄰共振之間的間距大至少一個數(shù)量級，或者甚至幾個數(shù)量級。所述共振器和/或所述至少一個光源是可以調(diào)節(jié)的，用于改變所述共振器的光程和/或所述第一波長和所述第二波長，所述傳感器還含有控制單元，所述控制單元被配置為，
[0028]-用于控制所述至少一個光源，使得所述第一波長的光及所述第二波長的光被相繼供入所述光路中，
[0029]-用于改變所述共振器的光程和/或所述第一波長和所述第二波長，使得對于所述第一波長和所述第二波長中的每一個，掃描含有所述共振器的至少一個共振的間隔，
[0030]-和用于對于所述第一波長和所述第二波長中的每一個，檢測所述共振的寬度和
/或展寬。
[0031 ] 在這兩個實施方案中，所述傳感器可有利地用于實施上述檢測方法。同時，其具有相當簡單的結(jié)構(gòu)并可以緊湊堅固的形式而實現(xiàn)。
[0032]為此，傳感器或至少其多個部分——特別是包括一個或多個共振器的一個或多個光路一可在芯片上實現(xiàn)，稱為集成光學電路。所述光路或所述第一光路和所述第二光路中的每一個可包含一個或兩個光波導，用于將所述光路的共振器或所述第一光路和所述第二光路的共振器耦合至各自的光源和各自的光檢測器，以確保所述傳感器是緊湊和堅固的。所述波導可設(shè)計成光子線。[0033]每一個共振器優(yōu)選可以以環(huán)形共振器的形式，特別是以所稱的微環(huán)共振器的形式而實現(xiàn)。所述環(huán)形共振器可通過瞬逝場耦合至各自的一個或多個波導。它們是特別適合的，因為它們對在表面累積的分子顯示出極高的靈敏度。這意味著它們的光程非常敏感地取決于由活性層吸收的分子的量。但是，也可以使用其他類型的光學共振器代替環(huán)形共振器，例如法布里-拍羅共振器(Fabry_P6rot resonator)。
[0034]另外，所述傳感器可以具有用于將待分析的流體傳導至每個光路的共振器的活性層的通道。優(yōu)選地選擇所述至少一個光源或所述第一光源和所述第二光源為激光器，所述激光器由于它們的單色光是適宜的。
[0035]所述傳感器可以包含信號處理單元，用于分析第一和第二光檢測器的輸出，或者在第二實施方案中，用于分析唯一的光檢測器的輸出。該信號處理單元可以包含在控制單元中。所述信號處理單元可以被配置為，用于在掃描間隔內(nèi)確定光信號相對于波長的導數(shù)。為此，所述控制單元可以被配置為用于，對于所述第一光路和第二光路中的每一個或?qū)τ谖ㄒ还饴范?，以調(diào)制信號來調(diào)制共振器相應(yīng)的光程或相應(yīng)的波長。在此情況下，為確定所述導數(shù)，所述信號處理單元可以包含鎖定放大器，所述控制單元連接至該鎖定放大器以將調(diào)制信號作為參考信號供入該鎖定放大器中。由此所述導數(shù)作為鎖定放大器的輸出而得至IJ。當然，為了掃描所述第一波長和所述第二波長附近的間隔，是否調(diào)制光源或共振器的光程和是否改變光源或共振器是等效的。最實際的解決方案是調(diào)節(jié)用于掃描所述間隔的光源并調(diào)制相應(yīng)共振器一例如進行電-光或熱-光調(diào)制一用于確定所述導數(shù)。
[0036]希望確定相應(yīng)光信號相對于波長的導數(shù)，以更容易地確定寬度的量度并由此確定對相應(yīng)共振的展寬的量度。
[0037]在優(yōu)選的實施方案中，所述傳感器的信號處理單元被配置為用于，對于兩個波長中的每一個或?qū)τ诿恳粋€共振器，確定對掃描間隔中所含的相應(yīng)共振器的共振的寬度和/或展寬的量度。如果按上述確定所述導數(shù)，則所述信號處理單元可被配置為，用于通過確定共振時所述導數(shù)的兩個極值之間的間距來確定所述導數(shù)，在此情況下，所述間距為所述寬度和/或展寬的量度。
[0038]為了獲得更多的關(guān)于待檢測流體中所含物質(zhì)的信息，和為了實現(xiàn)更精確的結(jié)果，所述信號處理單元可進一步被配置為用于，對于共振器中的至少一個，確定掃描間隔所含的共振的位移。
[0039]可以使所述光路或每一個光路包含至少一個另外的光學共振器，所述光學共振器至少部分地覆蓋有用于選擇性吸收分子的另外的覆蓋材料的活性層，所述另外的覆蓋材料不同于上述覆蓋材料或包含相同的物質(zhì)但具有不同的濃度。根據(jù)如何選擇該選擇性吸收覆蓋材料，這使得所述傳感器能夠用于同時檢測不同物質(zhì)的分子的存在或缺失和/或用于更精確的檢測所尋找的特定物質(zhì)的分子。在此情況下，必要的是，共振器一即它們的光程——可以進行調(diào)制，以便識別可歸屬于特定共振器的共振。
[0040]在具有第一光路和第二光路的實施方案中，可選地，傳感器可包含至少一個另外的光路、用于產(chǎn)生另外波長的光的另外的光源和另外的光檢測器，所述另外的光源光耦合至所述另外的光路以將所述另外波長的光供入所述另外的光路中，所述另外的光檢測器光耦合至所述另外的光路以檢測從所述另外的光路耦合出的光信號。在此情況下，所述至少一個另外的光路也可以包含光學共振器，所述光學共振器至少部分地覆蓋有與所述第一光路和第二光路的共振器所用的相同的覆蓋材料的活性層，所述另外的光路的共振器和/或所述另外的光源可以進行調(diào)節(jié)，以改變該共振器的光程和/或所述另外的波長，所述控制單元也可被配置為，用于改變該共振器的光程和/或所述另外的波長，從而掃描含有所述另外的光路的共振器的至少一個共振的間隔。由此，可進一步降低由活性層不具有足夠選擇性而引起的不確定性。
[0041]用于此處所述傳感器的活性層的覆蓋材料可為例如分子印跡聚合物。所述不確定性是由于不僅一種特定物質(zhì)的分子而且與待檢測物質(zhì)具有例如某些共同結(jié)構(gòu)的類似物質(zhì)也可被這些活性層吸收，所述不確定性可通過所提出的方法和傳感器而降低。
[0042]相應(yīng)光學共振器的共振在所述共振器處累積的分子顯示出更高吸收率的波長處被展寬。因此，關(guān)于吸收的分子對于至少兩個不同波長的吸收行為的另外信息是通過文中所述的方法和傳感器而獲得的。該信息有助于減小上述不確定性，因為可被活性層吸收的物質(zhì)組中的一些物質(zhì)可被排除——如果該物質(zhì)在所述第一波長或所述第二波長處具有高吸收率和如果在該特定波長處沒有看到共振的展寬。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0043]下文將參照圖1-7說明本發(fā)明的示例性實施方案。
[0044]圖1是第一實施方案中的光學傳感器的示意性頂視圖，該傳感器包括具有若干環(huán)形共振器的兩個或兩個以上的光路，
[0045]圖2為以示意方式展示三種不同物質(zhì)的典型透射譜圖，
[0046]圖3為以示意方式展示含有圖1光學傳感器中所含的環(huán)形共振器的光路的透射譜圖，
[0047]圖4為以示意方式展示圖1傳感器的信號處理單元中所含若干鎖定放大器之一的輸出圖，該輸出在環(huán)形共振器之一的共振附近針對與波長相關(guān)的兩種不同的情況被繪制，
[0048]圖5為說明在用圖1傳感器實施的測量中得到的可能的不同的結(jié)果的表，
[0049]圖6為第二個實施方案中光學傳感器的示意性頂視圖，
[0050]圖7為僅略微不同于圖6實施方案的另一個實施方案中光學傳感器的不意性頂視圖。
【具體實施方式】
[0051]圖1展示了用于分析流體和檢測流體中待分析的一種或幾種特定物質(zhì)的分子的光學傳感器。該傳感器的最重要的組件是在芯片I上以平面技術(shù)實現(xiàn)的，且形成集成光學電路。該集成光學電路具有第一光路以及第二光路，該第一光路包括光波導2、光學環(huán)形共振器3和另外的光學環(huán)形共振器4;該第二光路包括波導2'，光學環(huán)形共振器3'和另外的光學環(huán)形共振器4'。所有這些環(huán)形共振器3、3'、4和4'均為直徑在10 μ m和200 μ m之間的微環(huán)，且象波導2和2'那樣作為光子線實現(xiàn)。它們通過瞬逝場(evanescent field)被耦合到各自光路的波導2或2'。
[0052]第一光源5光I禹合至波導2以將第一波長λ ι的光供入所述第一光路。以相同的方式，第二光源5'耦合到波導2'，以將第二波長λ 2的光供入所述第二光路。兩個光源5和5'均是可調(diào)的激光器，因此兩個波長入1和λ 2均可在一定程度上改變。[0053]在兩個光路的相對端,波導2光I禹合至第一光檢測器6,以檢測從第一光路I禹合出的光信號，同時波導2'光I禹合至第二光檢測器6,以檢測從第二光路f禹合出的光信號。在此情況下，光檢測器6和6'在芯片I上以光電二極管的形式而實現(xiàn)。
[0054]共振器3和3'中的每一個均覆蓋有覆蓋材料的活性層，用于選擇性吸收含有特定待檢測物質(zhì)的物質(zhì)組的分子。用于共振器3和3'的覆蓋材料是相同的，并且可以是例如MIP。類似地，另外的共振器4和4'均覆蓋有另外的覆蓋材料的活性層，用于選擇性吸收含有相同或另外的待檢測物質(zhì)的另一物質(zhì)組的分子，該覆蓋材料對于所述另外的共振器4和4'是相同的，但不同于共振器3和3'的覆蓋材料。所述活性層通過陰影(shadings)而可視化。共振器3、3'、4和4'中的每一個的光程可借助電極7進行電-光或熱-光調(diào)制。
[0055]如圖1中虛線所示，所述傳感器可以包括另外的光路、另外的光源以及另外的光檢測器，所述另外的光路與第一光路和第二光路結(jié)構(gòu)相同，所述另外的光源用于產(chǎn)生另外的波長λ 3的光并將所述另外的波長λ 3的光供入所述另外的光路，所述另外的光檢測器用于檢測從所述另外的光路耦合出的光信號。在此情況下，所述另外的光路也包括光學共振器和另外的光學共振器，它們中的每一個均覆蓋有覆蓋材料的活性層，所述覆蓋材料分別與用于第一光路或第二光路的共振器3、3'或另外的共振器4、4'的覆蓋材料相同。此外，所述另外的光源同所述第一光源5和第二光源5' —樣是可以調(diào)節(jié)的，并且所述另外的光路的共振器和另外的共振器可以與所述第一光路和第二光路的共振器3和3'及所述另外的共振器4和4, 一起進行調(diào)制。
[0056]所述傳感器包括控制單元8，用于控制光源5和5,及共振器3和3,，以及所述另外的共振器4和4'。所述控制單元8被配置為，用于通過頻率為的調(diào)制信號改變共振器3和3'的光程并通過不同頻率f2的調(diào)制信號相應(yīng)地調(diào)制所述另外的共振器4和4'。在可適用的場合，這同樣適用于所述另外的光路的共振器和另外的共振器。此外，所述控制單元8被配置為，用于改變所述第一波長X1和第二波長λ2—從而掃描含有相應(yīng)共振器3或3'的和相應(yīng)另外的共振器4或4'的至少一個共振的間隔。在可適用的場合，所述控制單元8以相同方式配置為用于另外改變所述另外的波長λ 3，從而掃描所述另外的光路的共振器及另外的共振器中每一個的至少一個共振。
[0057]應(yīng)該注意的是，每一個光路具有不同的波導，用于將共振器3或3'及4或4'分別光耦合至各自的光檢測器6或6'。在此情況下，波導2和2'將僅用于將它們分別耦合到各自的光源5或5'。
[0058]在芯片I的頂部上，提供了一個微流體通道9用于將待分析的流體傳導至不同的共振器3、3'、4和4'的活性層。
[0059]為了分析第一光檢測器6和第二光檢測器6'的輸出以及一在可適用的場合——另外的光檢測器的輸出，所述傳感器包含信號處理單元10，所述信號處理單元10具有鎖定放大器11和評價單元12。所述信號處理單元10被配置為，用于對每一個共振器3、3'、4和4'確定對通過調(diào)節(jié)光源5和5'而掃描到的各自波長間隔所含的相應(yīng)共振器3、3'、3或4'的共振的展寬的量度。為此，所述信號處理單元10被配置為，用于確定在每一個掃描間隔內(nèi)，各光信號相對于波長的導數(shù)。這借助各自的鎖定放大器11而進行，所述控制單元8被連接至鎖定放大器11，以將調(diào)制信號之一作為參考信號而供入該鎖定放大器。如果帶研究的是共振器3和3'的共振，則使用頻率的調(diào)制信號作為參考信號，而研究另外的共振器4和4'的共振，選擇頻率&用作參考信號。根據(jù)選擇的參考信號是具有頻率f:還是具有頻率f2，各鎖定放大器11從各自光信號過濾掉共振器3或3,或者另外的共振器4或4'的貢獻。各鎖定放大器11的輸出對應(yīng)于對光信號的該貢獻相對于波長的導數(shù)。
[0060]在相應(yīng)共振器3、3'、4'或4'的每個共振處，該導數(shù)的絕對值顯示的是兩個最大值。評價單元12被配置為，用于確定這兩個最大值之間的間距，該間距是這一共振的展寬的量度。此外，所述評價單元12被配置為，對于每個共振器3、3'、4和4'，確定掃描間隔所包含的共振的位移。
[0061]下文中，描述了使用共振器3和3'對由通道9傳導的流體的分析。以同樣的方式，使用另外的共振器4和4'對該流體進行另外的分析，以得到另外的或更精確的關(guān)于該流體中所含物質(zhì)種類的信息。
[0062]圖2展示了一個實例中第一物質(zhì)的透射譜1、第二物質(zhì)II的透射譜II和第三物質(zhì)的透射譜III。我們假設(shè)這三種物質(zhì)形成被共振器3和3'的活性層優(yōu)先吸收的上述物質(zhì)組?？紤]一種典型的情形，所述第一物質(zhì)在兩個波長入1和入2處顯示出高吸收，而所述第二物質(zhì)僅在第一波長λ 顯示出高吸收，所述第三物質(zhì)僅在第二波長λ2處顯示出高吸收。這兩個波長入1和λ2之間的差值可以是約300nm，而環(huán)形共振器3、3'、4和4'的相鄰共振之間的間距小了約兩個數(shù)量級并具有約2nm的值。圖3展示了光路之一的透射譜。各共振器3或3'的一些共振一為簡便起見，忽略相應(yīng)的另外共振器4或4'的貢獻一可在該圖示中清楚地看到。選擇并調(diào)節(jié)光源5和5'以分別產(chǎn)生吸收波長X1或λ2的光并稍微改變相應(yīng)的波長從而掃描含有相應(yīng)共振器3或3'的一個共振的小間隔。
[0063]圖4展示了在掃描波長間隔內(nèi)鎖定放大器11的輸出。在此情況下，我們假設(shè)所選擇的參考信號具有用于調(diào)制共振器3和3'的頻率。如上所述，放大器11的輸出分別對應(yīng)于共振器3或3'對從各光路耦合出的光信號的貢獻的波長導數(shù)。實線顯示的是在各環(huán)形共振器的活性層處沒有累積吸收相應(yīng)波長λ i或λ 2的光的分子的情形下的輸出。虛線顯示的是在活性層處累積吸收相應(yīng)波長λ λ 2的光的分子之后的相應(yīng)信號。光吸收分子的累積產(chǎn)生位移及共振的展寬，圖4所示輸出的兩個最大值之間的放大的間距Λ λ，—相比于在吸收分子累積之前的間距Λ λ—是該展寬的量度。所述評價單元12被配置為，用于檢測位移和放大的間距Λ λ，，位移表明一定量的分子被活性層吸收；放大的間距Λ λ，表明這些分子對相應(yīng)波長X1或λ 2的光具有吸收行為的程度。
[0064]通過將待分析的流體經(jīng)由通道9傳導，使該流體與共振器3、3'、4和4'接觸，特別是與其上的活性層接觸。如果所述流體包含上述三種物質(zhì)中的任一種，則各物質(zhì)的分子將被共振器3和3'的活性層吸收并累積在其上。由該累積單獨引起的共振位移的測量顯示出所述流體中含有所述物質(zhì)組中的任何物質(zhì)。但是其仍然無法回答的問題是，在我們的實施例中，所述流體中所含的物質(zhì)是為第一物質(zhì)、第二物質(zhì)還是第三物質(zhì)。但是，這一問題可使用對共振展寬的檢測結(jié)果而進行回答。這在圖5的表中進行了說明。該表表明，對于上文圖2中提及的三種物質(zhì)和對于兩個波長λ i和λ 2，如果共振器3和:V已與相應(yīng)的物質(zhì)接觸，在相應(yīng)波長X1*入2處的共振是否將被展寬，在每種情況下，X表示展寬。如果僅可在X1下看到展寬，則可得出結(jié)論，所述流體含有所述第二物質(zhì)。如果僅可在λ2下看到展寬，則所述流體含有所述第三物質(zhì)。如果在波長X1和λ 2下均檢測到展寬，則所述流體含有所述第一物質(zhì)，或者既含有第二物質(zhì)也含有第三物質(zhì)。
[0065]為了檢測不同共振的展寬，不僅在流體與共振器3、3'、4和4'接觸之后實施同樣的測量，而且在傳感器與該流體接觸之前另外地，或?qū)⒋治龅牧黧w從所述傳感器中除去之后或使所述傳感器與例如潔凈的水或空氣等參考流體接觸之后再次地實施同樣的測量。因此各展寬可定義為Δλ' -Δλ，其中Δλ為傳感器不與待分析的流體接觸時測得的相應(yīng)共振的寬度，△ λ ;為使傳感器與該流體接觸之后測得的相同共振的寬度。
[0066]所述評價單元12被配置為，用于在確定在掃描間隔中所含的共振的位移和展寬之后通過模式識別(pattern recognition)方法實施所述分析。
[0067]圖6和7展示了兩個類似的光學傳感器。對上面圖1所示傳感器中說明的特征，用相同的附圖標記來標記。圖6的傳感器和圖1的傳感器之間的唯一區(qū)別是，圖6的傳感器只有一個光路。借助耦合器13，可將由兩個光源5和5'產(chǎn)生的兩個波長入1和λ2的光供入該光路的波導2中。在本實施方案中，控制單元8被配置為，用于控制所述兩個光源5和5'以使第一波長λ i的光和第二波長λ 2的光被相繼通過耦合器13而供入波導2中。因此，上述用于分析流體的方法可類似地用該傳感器來實施。
[0068]圖7所示實施方案的傳感器唯一不同于圖6所示實例之處在于，該傳感器僅具有一個光源5，在這種情況下，所述光源5可在大至足夠覆蓋波長入1和λ 2的范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，從而使得不需要第二光源來實施上述方法。當然，在圖7的實施方案中，以及在圖1和圖6的實施方案中，信號處理單元10可以包含在控制單元8中或理解為其是控制單元8的一部分。
【權(quán)利要求】
1.一種通過光學傳感器檢測特定物質(zhì)的分子的方法，該方法包括， -使所述傳感器與待分析的流體接觸， -將第一波長(X1)的光耦合至所述傳感器的光學共振器(3)中，所述共振器(3)至少部分地覆蓋有用于選擇性吸收一組物質(zhì)的覆蓋材料的活性層，所述一組物質(zhì)包括待檢測的物質(zhì)， -將第二波長(λ J的光稱合至所述傳感器的同一共振器(3)中或第二光學共振器(3')中，所述第二共振器(3')至少部分地覆蓋有同一覆蓋材料的活性層， -對于所述第一波長和所述第二波長(X1, λ 2)中的每一個，檢測從包含相應(yīng)共振器(3,3')的光路I禹合出的光信號， -對于所述第一波長和所述第二波長(X1, λ 2)中的每一個，改變相應(yīng)共振器(3，3')的光程或相應(yīng)的波長(X1, λ 2)，從而掃描包含相應(yīng)共振器(3,3')的至少一個共振的間隔， -對于所述第一波長和所述第二波長(X1, λ 2)中的每一個，通過所述共振器(3，3')的活性層處累積的分子，檢測該共振的展寬，所述共振的展寬表明對進入相應(yīng)共振器(3,3')的光的吸收。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括根據(jù)僅針對第一波長(X1)或僅針對第二波長(λ2)或針對這兩個波長(λ” λ2)是否檢測到超出一定閾值的展寬，識別所述流體是否含有明顯濃度的待檢測物質(zhì)的分子。
3.權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述共振的展寬通過確定在所述間隔內(nèi)光信號相對波長的導數(shù)并且通過 確定共振處該導數(shù)的兩個極值之間的間距(Λ λ，Λ λ ')而進行檢測，所述間距為所述展寬的量度。
4.權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述導數(shù)借助鎖定放大器(11)按如下確定: -用調(diào)制信號調(diào)制所述共振器(3，3')的光程或所述波長UpX2), -將用于檢測所述光信號的光檢測器出，6')的輸出供入所述鎖定放大器(11)中，和 -使用所述調(diào)制信號作為所述鎖定放大器(11)的參考信號。
5.權(quán)利要求1-4中任一項所述的方法，其特征在于，對所述第一波長和所述第二波長(λρ λ2)中的至少一個，除了展寬之外，還確定所述共振的位移，所述位移表明相應(yīng)共振器(3，3')的光程的變化，所述變化是由該共振器(3，3')的活性層處累積的分子引起的。
6.一種用于檢測特定物質(zhì)的分子的光學傳感器， 所述傳感器包含第一光路、用于產(chǎn)生第一波長(X1)的光的第一光源(5)和第一光檢測器(6)，所述第一光源(5)光耦合至所述第一光路以將所述第一波長(X1)的光供入所述第一光路，所述第一光檢測器(6)光耦合至所述第一光路以檢測從所述第一光路耦合出的光信號， 所述傳感器還包含第二光路、用于產(chǎn)生第二波長(λ2)的光的第二光源(5')和第二光檢測器出')，所述第二光源(5')光耦合至所述第二光路以將所述第二波長(λ 2)的光供入所述第二光路中，所述第二光檢測器)光耦合至所述第二光路以檢測從所述第二光路耦合出的光信號， 其中所述第一光路和所述第二光路中的每一個均含有光學共振器(3，3')，所述光學共振器(3，3')至少部分地覆蓋有用于選擇性吸收一組物質(zhì)的覆蓋材料的活性層，所述一組物質(zhì)包括待檢測的物質(zhì)，所述覆蓋材料對于所述第一光路的共振器(3)和所述第二光路的共振器(3')而言是相同的， 并且其中兩個光路的共振器(3，3')和/或所述第一光源及所述第二光源出，6')是可調(diào)節(jié)的，以改變所述共振器(3，3')的光程和/或所述第一波長及所述第二波長(入I，入2)， 所述傳感器還包含控制單元(8)，用于控制所述光源(5,5,)和/或所述共振器(3，3')，所述控制單元(8)被配置為，用于改變所述共振器(3，3')的光程和/或所述第一波長及所述第二波長(X1, λ 2)，從而掃描包含相應(yīng)共振器(3，3')的至少一個共振的間隔。
7.權(quán)利要求6所述的傳感器，其特征在于，所述第一波長(X1)和所述第二波長(入2)之間的差比共振器(3，3')中每一個在相應(yīng)波長(X1, λ 2)處的相鄰共振之間的間距大至少一個數(shù)量級。
8.權(quán)利要求6或7所述的傳感器，其特征在于，所述第一光路和所述第二光路中的每一個均包含一個或兩個光波導(2，2')，用于將所述第一光路和所述第二光路的共振器(3，3,)耦合至相應(yīng)的光源(5，5')和相應(yīng)的光檢測器出，6')。
9.權(quán)利要求6-8中任一項所述的傳感器，其特征在于，所述共振器(3，3')為環(huán)形共振器。
10.權(quán)利要求6-9中任 一項所述的傳感器，其特征在于，其含有信號處理單元(10)，用于分析所述第一光檢測器和第二光檢測器出，6')的輸出，所述信號處理單元(10)被配置為用于，對于每一個共振器(3，3')，確定對所述間隔中所含的相應(yīng)共振器(3，3')的共振的寬度和/或展寬的量度。
11.權(quán)利要求10所述的傳感器，其特征在于，所述信號處理單元(10)被配置為，用于確定在所述間隔內(nèi)光信號相對于波長的導數(shù)，并確定共振處所述導數(shù)的兩個極值之間的間距，所述間距為所述寬度和/或展寬的量度。
12.權(quán)利要求11所述的傳感器，其特征在于，所述控制單元(8)被配置為用于，對于所述第一光路和所述第二光路中的每一個，以調(diào)制信號來調(diào)制相應(yīng)共振器(3，3')的光程或相應(yīng)的波長(X1, λ 2)，并且其特征在于，為確定所述導數(shù)，所述信號處理單元(10)包含鎖定放大器(11)，所述控制單元(8)連接至該鎖定放大器(11)以將所述調(diào)制信號作為參考信號供入該鎖定放大器(11)中。
13.權(quán)利要求10至12中任一項所述的傳感器，其特征在于，所述信號處理單元(10)還被配置為用于，對于共振器(3，3')中的至少一個，確定所述間隔包含的共振的位移。
14.權(quán)利要求6至13中任一項所述的傳感器，其特征在于，其包含至少一個另外的光路、用于產(chǎn)生另外的波長(λ3)的光的另外的光源和另外的光檢測器，所述另外的光源光耦合至所述另外的光路以將所述另外的波長U3)的光供入所述另外的光路中，所述另外的光檢測器光耦合至所述另外的光路以檢測從所述另外的光路耦合出的光信號， 其中所述至少一個另外的光路包含光學共振器，所述光學共振器至少部分地覆蓋有相同覆蓋材料的活性層， 其中對所述另外的光路的共振器和/或所述另外的光源進行調(diào)節(jié)，以改變該共振器的光程和/或所述另外的波長(λ 3)，并且其中所述控制單元(8)還被配置為，用于改變該共振器的光程和/或所述另外的波長(λ 3)，從而掃描含有所述另外的光路的共振器的至少一個共振的間隔。
15.權(quán)利要求6至14中任一項所述的傳感器，其特征在于，所述光路中的每一個均含有至少一個另外的光學共振器(4，4')，所述另外的光學共振器(4，4')至少部分地覆蓋有用于選擇性吸收分子的另外的覆蓋材料的活性層，所述另外的覆蓋材料不同于上述覆蓋材料或具有不同的濃度。
16.一種用于檢測特定物質(zhì)的分子的光學傳感器，所述傳感器包含 光路、用于產(chǎn)生第一波長(X1)和第二波長(λ2)的光的至少一個光源(5，5')和光檢測器出)，所述至少一個光源(5，5')光耦合至所述光路以將所述第一波長(X1)和所述第二波長(λ2)的光耦合至該同一光路中，所述光檢測器(6)光耦合至所述光路以檢測從該光路中耦合出的光信號， 其中所述光路含有光學共振器(3)，該光學共振器(3)至少部分地覆蓋有用于選擇性吸收一組物質(zhì)的覆蓋材料的活性層，所述一組物質(zhì)包括待檢測的物質(zhì)， 其中對所述共振器(3)和/或所述至少一個光源(5,5,)進行調(diào)節(jié)，以改變所述共振器⑶的光程和/或所述第一波長和所述第二波長UpX2), 所述傳感器還含有控制單元(8)，所述控制單元(8)被配置為， -用于控制所述至少一個光源(5,5,)，使得所述第一波長(X1)的光及所述第二波長(λ 2)的光被相繼供入所述光路中， -用于改變所述共振器(3)的光程和/或所述第一波長和所述第二波長(X1, λ2)，使得對于所述第一波長和所述第二波長(λ” λ2)中的每一個，掃描含有所述共振器(3)的至少一個共振的間隔， -和用于對于所述第一波長和所述第二波長(λ” λ2)中的每一個，檢測該共振的寬度和/或展寬。
【文檔編號】G01N21/77GK103620391SQ201280018801
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2012年4月19日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月21日
【發(fā)明者】赫爾穆特·海德里希, 彼得·呂措, 丹尼爾·佩爾甘德, 沃爾夫?qū)ど车? 申請人:弗蘭霍菲爾運輸應(yīng)用研究公司