本發(fā)明屬于醫(yī)學(xué)
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及一種二維衍射光柵傳感器及含其二維衍射光柵傳感器的裝置用于監(jiān)測生物液體的光學(xué)折射系數(shù)和壓力變化。
背景技術(shù)：
：監(jiān)測體液數(shù)據(jù)在醫(yī)學(xué)的許多領(lǐng)域中有著重要的作用，比如診斷疾病。通過探測生物流體的物理性質(zhì)我們可以獲得豐富的信息，這些物理性質(zhì)包括折射系數(shù)、密度、透明度、電導(dǎo)率和粘度。其中生物流體的折射系數(shù)(RI)有著十分特別的地位，因?yàn)槲覀儚恼凵湎禂?shù)中可以獲得許多信息，比如血糖水平和無標(biāo)記分子相互作用。在最近幾十年里，由于光學(xué)傳感器精準(zhǔn)度高、動(dòng)態(tài)范圍廣、導(dǎo)電性、重復(fù)性、非侵入性的特點(diǎn)，產(chǎn)生了許多光學(xué)傳感器用以測量液體和生物流體的數(shù)據(jù)變化。有許多就是專門測量折射系數(shù)，折射系數(shù)傳感體系一般包括激光干涉法、毛細(xì)成像法、光子晶體法、表面等離子體共振法、光學(xué)纖維法以及衍射光柵法。比如說透析過程，我們需要對血液進(jìn)行監(jiān)測，從而獲得不同的血液數(shù)據(jù)，包括動(dòng)脈壓力與靜脈壓力、透析液及廢液的濃度，這需要多方位的監(jiān)測，由此需要龐大的設(shè)備以及昂貴的費(fèi)用。由于生命體監(jiān)測需要高靈敏度與精確度，光學(xué)傳感器經(jīng)常被用于實(shí)時(shí)測量液體特性，比如激光干涉儀可以用來測量折射率也可以用來測量葡萄糖溶液濃度；階躍折射系數(shù)光纖可以用作液體的折射系數(shù)傳感器；反向散射干涉儀可以用來檢測溶液和無標(biāo)記分子的相互作用；用透射和漫反射光譜法可以監(jiān)測血液透析全血情況。上述介紹的諸多監(jiān)測方法中，大部分都僅能測量折射率，并且需要有精密的設(shè)備，包括鏡頭、分束器、光譜儀等，即使存在一些可以同時(shí)測量包括折射系數(shù)、吸收、溫度等幾個(gè)參數(shù)的例子，它們都需要復(fù)雜的設(shè)置，并且不同的參數(shù)需要使用不同的傳感方案?？梢酝瑫r(shí)監(jiān)測生物流體的多種數(shù)據(jù)這在當(dāng)今的大數(shù)據(jù)環(huán)境下有著十分重要的意義。比如，當(dāng)一個(gè)人喪失了腎臟功能，在醫(yī)學(xué)上會(huì)對其進(jìn)行血液透析。透析主要用在為其去除血液中廢物以及過剩的水分。在透析中，血液的多種性質(zhì)，包括壓力、透析液和廢液的濃度都需要不斷的監(jiān)測。脈搏血氧儀監(jiān)測不透明度從而監(jiān)測血紅蛋白或血液中氧含量水平。目前沒有一個(gè)裝置可以做到同時(shí)監(jiān)測多種數(shù)據(jù)。因此，當(dāng)一個(gè)設(shè)備需要包含多種監(jiān)測儀器比如動(dòng)脈靜脈壓力監(jiān)測器、體溫監(jiān)測儀、透析液的PH探測儀時(shí)，就會(huì)變得十分笨重、昂貴。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種可變形光柵傳感器，通過該傳感器可以同時(shí)監(jiān)測生物液體的多種數(shù)據(jù)，比如能監(jiān)測其光學(xué)折射系數(shù)和壓力。為實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的，本發(fā)明采取如下的技術(shù)方案：一種可變形光柵傳感器，包括一個(gè)光柵傳感器和一個(gè)半球體流體腔，所述的光柵傳感器集成在所述的半球體流體腔內(nèi)，采用半球體流體室的目的是確保所有的衍射光束在液體中經(jīng)過的距離相同，從而使得距離得到相等的衰減，并能確保衍射光束沒有由于折射在液體聚合物界面發(fā)生偏轉(zhuǎn)。作為優(yōu)選，所述的半球體流體腔設(shè)置在基板上，在所述的半球體流體腔的底面邊緣設(shè)有的兩個(gè)互通的通道，一個(gè)為液體入口通道，一個(gè)為液體出口通道，所述的光柵傳感器位于半球體流體腔底面的中間位置。作為優(yōu)選，所述的光柵傳感器的光柵、半球體流體腔、兩個(gè)通道及基板的材質(zhì)均為彈性聚合物，光柵傳感器的光柵為金字塔形二維光柵。作為優(yōu)選，所述的金字塔邊長為0.5-3微米，高度為0.5-1.0微米，相鄰金字塔中心距離為1-3微米。作為優(yōu)選，所述的彈性聚合物為聚二甲基硅氧烷(PDMS)，其在紫外-可見光300–800nm下是透明的。作為優(yōu)選，所述的光柵傳感器的光柵薄膜的厚度為0.1±0.01mm。作為優(yōu)選，所述光柵傳感器的光柵、半球體流體腔及基板的材質(zhì)還含有固化劑，所述的聚二甲基硅氧烷(PDMS)和固化劑的重量比為15～25：1，加入固化劑可以變得柔軟，固化劑為市售品。作為優(yōu)選，所述的兩個(gè)通道的材質(zhì)還含有固化劑，所述的聚二甲基硅氧烷(PDMS)和固化劑，其重量比為3-8：1。本發(fā)明的可變形光柵傳感器的理論基礎(chǔ)是光柵的衍射圖普，所述的可變形光柵傳感器，采用彈性材料制成，將其作為微傳感器的好處在于其靈敏性高、空間的分辨率高、可靠性高、成本低廉及制作方法簡單。本發(fā)明的另一目的在于提供一種監(jiān)測生物液體光學(xué)折射系數(shù)的裝置，采取如下的技術(shù)方案：一種監(jiān)測生物液體光學(xué)折射系數(shù)的裝置，包括如上所述的可變形光柵傳感器，半導(dǎo)體光激射器，正向光衍射屏和光電探測器，放置位置依次為半導(dǎo)體光激射器、可變形光柵傳感器、光電探測器和正向光衍射屏。作為優(yōu)選，所述的半導(dǎo)體光激射器發(fā)射出一道4mw功率、633nm波長的光束。作為優(yōu)選，所述的半導(dǎo)體光激射器發(fā)射的光束對準(zhǔn)光電探測器的中心。作為優(yōu)選，所述的可變形光柵傳感器與正向光衍射屏相距16cm。本發(fā)明的另一目的在于提供一種監(jiān)測生物液體光學(xué)折射系數(shù)的方法，采取如下的技術(shù)方案：一種監(jiān)測生物液體光學(xué)折射系數(shù)的方法，包括如下步驟：1.采用如上所述的監(jiān)測生物液體光學(xué)折射系數(shù)的裝置，往可變形光柵傳感器內(nèi)的半球體腔體內(nèi)注入待監(jiān)測生物液體；2.將激光光束擊中光柵傳感器，在不同的方向上被光柵衍射，在屏幕上形成衍射圖譜，根據(jù)一維光柵傳感器衍射等式：ndsin(θm)＝mλ(1)等式1中，通過激光波長λ，光柵系數(shù)d，以及衍射級(jí)m，散射角θm通過圖譜可以測量得到，這樣我們就可以計(jì)算得到待監(jiān)測生物液體的光學(xué)折射系數(shù)n。本發(fā)明的另一目的在于利用監(jiān)測生物液體光學(xué)折射系數(shù)的裝置用于實(shí)時(shí)監(jiān)測輸液中藥物濃度的均一性。其實(shí)也就是通過監(jiān)測生物液體的光學(xué)折射系數(shù)，如果這個(gè)系數(shù)不發(fā)生變化，那么說明該生物液體的濃度是均一的。本發(fā)明的另一目的在于提供一種監(jiān)測生物液體壓力變化的裝置，采取如下的技術(shù)方案：一種監(jiān)測生物液體壓力變化的裝置，包括可變形光柵傳感器，半導(dǎo)體光激射器，反向光衍射屏，光電探測器，注射器，壓力傳感器和廢物處理容器，所述的半導(dǎo)體光激射器位于反向光衍射屏的前方，反向光衍射屏后方為可變形光柵傳感器，可變形光柵傳感器和反向光衍射屏之間設(shè)有光電探測器，注射器通過皮管連接壓力傳感器，壓力傳感器通過皮管連接到可變形光柵傳感器的入口通道，可變形光柵傳感器的出口通道通過皮管連接到廢物處理容器。作為優(yōu)選，所述的半導(dǎo)體光激射器發(fā)射出一道4mw功率、633nm波長的光束。作為優(yōu)選，所述的半導(dǎo)體光激射器發(fā)射的光束對準(zhǔn)光電探測器的中心。作為優(yōu)選，所述可變形光柵傳感器與反向光衍射屏相距19.5cm。作為優(yōu)選，所述的光電探測器為光敏二極管。本發(fā)明的另一目的在于提供一種監(jiān)測生物液體壓力變化的方法，采取如下的技術(shù)方案：一種監(jiān)測生物液體壓力變化的方法，包括如下的步驟：1.采用如上所述的監(jiān)測生物液體壓力變化的裝置，往可變形光柵傳感器內(nèi)的半球體腔體內(nèi)注入待監(jiān)測的生物液體；2.將激光光束穿過屏幕中央的小孔發(fā)生后向衍射之后，擊中光柵傳感器發(fā)生了反向衍射，記錄得到反向衍射圖譜，當(dāng)光柵傳感器受到液體壓力變形發(fā)生彎曲，衍射圖案就會(huì)發(fā)生變化，說明待監(jiān)測的生物液體的壓力也發(fā)生了變化；當(dāng)然，如果我們要計(jì)算壓力，也可以根據(jù)壓力傳感器測量到的液體壓力與衍射圖案變化對比起來分析得出標(biāo)定規(guī)律；根據(jù)受壓變形前的長度是S0,變形后的長度是S,它們之間的差再加上已知材料的楊氏模量就可以算出壓力的大小。計(jì)算s的公式是s=Rφ=Rcos-1(1-2ro2R2)]]>本發(fā)明的另一目的在于利用監(jiān)測生物液體壓力變化的裝置，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測輸液、透析中藥物壓力的變化來確保輸液和透析的速度的恒定性。其實(shí)也就是通過監(jiān)測生物液體的壓力變化，如果壓力不發(fā)生變化，那么說明速度是恒定新。本發(fā)明關(guān)于監(jiān)測生物液體的折射系數(shù)和流體壓力是基于衍射圖譜的多功能的可變形光柵傳感器。該可變形光柵傳感器普遍用于光電檢測，使用本發(fā)明的可變形光柵傳感器作為微傳感器的好處在于其靈敏性高、分辨率高、可靠性強(qiáng)、成本低廉和制作簡單。本發(fā)明是一款以光學(xué)衍射圖譜為基礎(chǔ)的適應(yīng)于臨床運(yùn)用的多功能、便利、低成本的可變形光柵傳感器；二維光柵傳感器使用了彈性聚合物進(jìn)行復(fù)制金字塔陣列制作而成，它的形狀、大小以及衍射強(qiáng)度可以為我們提供一些信息，包括折射系數(shù)和局部壓力，這種光學(xué)傳感器便于制造，并且成本低，對于生物液體，比如血液可以做到高精度的實(shí)時(shí)監(jiān)測。附圖說明圖1是本發(fā)明的可變形光柵傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，1.金字塔形光柵傳感器，2.半球體流體腔，3.液體入口通道，4.液體出口通道，5.基板；圖2是本發(fā)明的監(jiān)測生物液體光學(xué)折射系數(shù)的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，1.半導(dǎo)體光激射器，2.可變形光柵傳感器，3.光電探測器，4.正向光衍射屏；圖3是本發(fā)明的監(jiān)測生物液體壓力變化的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，1.半導(dǎo)體光激射器，2.可變形光柵傳感器，3.反向光衍射屏，4.光電探測器，5.注射器，6.壓力傳感器，7.廢物處理容器；圖4是實(shí)施例2對不同介質(zhì)(空氣、水、10％、20％、30％、40％的葡萄糖水溶液)得到的正向衍射圖譜；圖5是根據(jù)圖4說計(jì)算出來的衍射角圖；圖6是實(shí)施例2用硅光電探測器測量出來的平均功率衍射級(jí)10、11下的平均衍射功率圖。圖7是實(shí)施例3采用商用流體傳感器(A)和可變形光柵傳感器(B)在90s內(nèi)的液體壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)圖，虛線表示當(dāng)壓力變化巨大時(shí)；圖8是實(shí)施例4通過本發(fā)明的可變形光柵傳感器通過測量功率監(jiān)測BSA和IgG的結(jié)合，虛線表示BSA與IgG液體混合的時(shí)候。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。實(shí)施例1如圖1所示的一種可變形光柵傳感器，包括一個(gè)光柵傳感器1和一個(gè)半球體流體腔2，所述的光柵傳感器1集成在所述的半球體流體腔2內(nèi)，采用半球體流體室的目的是確保所有的衍射光束在液體中經(jīng)過的距離相同，從而使得距離得到相等的衰減，并能確保衍射光束沒有由于折射在液體聚合物界面發(fā)生偏轉(zhuǎn)；所述的半球體流體腔設(shè)置在基板5上，在所述的半球體流體腔的底面邊緣設(shè)有的兩個(gè)互通的通道，一個(gè)為液體入口通道3，一個(gè)為液體出口通道4，所述的光柵傳感器1位于半球體流體腔底面的中間位置，所述的光柵傳感器的光柵、半球體流體腔、兩個(gè)通道及基板的材質(zhì)均為彈性聚合物，光柵傳感器的光柵為金字塔形二維光柵。所述的金字塔邊長為0.5-3微米，高度為0.5-1.0微米，相鄰金字塔中心距離為1-3微米。所述的彈性聚合物為聚二甲基硅氧烷(PDMS)，其在紫外-可見光300–800nm下是透明的。所述的光柵傳感器的光柵薄膜的厚度為0.1±0.01mm。所述光柵傳感器的光柵、半球體流體腔及基板的材質(zhì)還含有固化劑，所述的聚二甲基硅氧烷(PDMS)和固化劑的重量比為15～25：1，加入固化劑可以變得柔軟，固化劑為市售品。所述的兩個(gè)通道的材質(zhì)還含有固化劑，所述的聚二甲基硅氧烷(PDMS)和固化劑，其重量比為3-8：1。實(shí)施例2如圖2所示的一種監(jiān)測生物液體光學(xué)折射系數(shù)的裝置，包括實(shí)施例1的可變形光柵傳感器2，半導(dǎo)體光激射器1，光電探測器3和正向光衍射屏4，放置位置依次為半導(dǎo)體光激射器1，可變形光柵傳感器2，光電探測器3和正向光衍射屏4，所述的半導(dǎo)體光激射器發(fā)射出一道4mw功率、633nm波長的光束；所述的半導(dǎo)體光激射器發(fā)射的光束對準(zhǔn)光電探測器的中心；所述的可變形光柵傳感器與正向光衍射屏相距16cm。一種監(jiān)測生物液體光學(xué)折射系數(shù)的方法，包括如下步驟：1.采用如上所述的監(jiān)測生物液體光學(xué)折射系數(shù)的裝置，往可變形光柵傳感器內(nèi)的半球體腔體內(nèi)注入待監(jiān)測生物液體；2.將激光光束擊中光柵傳感器，在不同的方向上被光柵衍射，在屏幕上形成衍射圖譜，根據(jù)一維光柵傳感器衍射等式：ndsin(θm)＝mλ(1)等式1中，通過激光波長λ，光柵系數(shù)d，以及衍射級(jí)m，散射角θm通過圖譜可以測量得到，這樣我們就可以計(jì)算得到待監(jiān)測生物液體的光學(xué)折射系數(shù)n。我們先確定光柵的折射系數(shù)為1.4，如果液體的n值超過1.38的話，衍射圖譜會(huì)變得無法看清，這樣敏感度也會(huì)下降。為了論證對生物液體折射系數(shù)的測量，我們準(zhǔn)備了不同濃度的葡萄糖溶液。折射系數(shù)可以在HandbookofChemistryandPhysics中查出，見表1。葡萄糖濃度n(RI)衍射級(jí)00功率衍射級(jí)11功率衍射級(jí)10功率衍射級(jí)11的衍射角空氣10.9mW33.78μW168.3μW28.3o0％1.3332.582mW2.95μW11.68μW21.2o10％1.3482.81mW2.13μW7.8μW20.8o20％1.3642.78mW1.36μW4.57μW20.2o30％1.3812.67mW0.93μW2.71μW19.4o40％1.42.5mW\\\50％1.422.5mW\\\按照上述的監(jiān)測生物液體光學(xué)折射系數(shù)的方法，分別對空氣、水、10％、20％、30％、40％的葡萄糖水溶液進(jìn)行檢測。通過衍射角和衍射功率兩個(gè)參數(shù)來測量折射系數(shù)。圖4是實(shí)施例2對不同介質(zhì)(空氣、水、10％、20％、30％、40％的葡萄糖水溶液)得到的正向衍射圖譜；圖5是根據(jù)圖4說計(jì)算出來的衍射角圖；圖6是實(shí)施例2用硅光電探測器測量出來的平均功率衍射級(jí)10、11下的平均衍射功率圖。從圖5和圖6中得到數(shù)據(jù)與表1是吻合的，所以本發(fā)明的監(jiān)測生物液體光學(xué)折射系數(shù)的裝置可用于監(jiān)測生物液體光學(xué)折射系數(shù)。實(shí)施例3如圖3所示的監(jiān)測生物液體壓力變化的裝置，包括可變形光柵傳感器2，半導(dǎo)體光激射器1，反向光衍射屏3，光電探測器4，注射器5，壓力傳感器6和廢物處理容器7，所述的半導(dǎo)體光激射器1位于反向光衍射屏3的前方，反向光衍射屏3后方為可變形光柵傳感器2，可變形光柵傳感器2和反向光衍射屏3之間設(shè)有光電探測器4，注射器5通過皮管連接壓力傳感器6，壓力傳感器6通過皮管連接到可變形光柵傳感器2的入口通道，可變形光柵傳感器2的出口通道通過皮管連接到廢物處理容器7；所述的半導(dǎo)體光激射器發(fā)射出一道4mw功率、633nm波長的光束；所述的半導(dǎo)體光激射器發(fā)射的光束對準(zhǔn)光電探測器的中心；所述可變形光柵傳感器與反向光衍射屏相距19.5cm；所述的光電探測器為光敏二極管。一種監(jiān)測生物液體壓力變化的方法，包括如下的步驟：1.采用如上所述的監(jiān)測生物液體壓力變化的裝置，往可變形光柵傳感器內(nèi)的半球體腔體內(nèi)注入待監(jiān)測的生物液體；2.將激光光束穿過屏幕中央的小孔發(fā)生后向衍射之后，擊中光柵傳感器發(fā)生了反向衍射，記錄得到反向衍射圖譜，當(dāng)光柵傳感器受到液體壓力變形發(fā)生彎曲，衍射圖案就會(huì)發(fā)生變化，說明待監(jiān)測的生物液體的壓力也發(fā)生了變化；當(dāng)然，如果我們要計(jì)算壓力，也可以根據(jù)壓力傳感器測量到的液體壓力與衍射圖案變化對比起來分析得出標(biāo)定規(guī)律；根據(jù)受壓變形前的長度是S0,變形后的長度是S,它們之間的差再加上已知材料的楊氏模量就可以算出壓力的大小。為了驗(yàn)證監(jiān)測生物液體壓力變化，本實(shí)施例采用推拉注射器的方式來制造壓力變化。商用壓力傳感器測量的壓力變化的電壓靈敏度16.7mV/psi，我們將其與可變形光柵傳感器2進(jìn)行對比?？勺冃喂鈻艂鞲衅?測量壓力時(shí)，我們在反向衍射屏前放置了一個(gè)光敏二極管，用來測量衍射級(jí)10的光束功率。功率是由ThorlabsPM130D測量，功率計(jì)由LabVIEW程序控制在抽樣功率5hz。當(dāng)壓力變化時(shí)，光柵薄膜就會(huì)發(fā)生形變，從而衍射光線發(fā)生變化。這樣可以十分靈敏地監(jiān)測到微小的壓力變化。圖7商用流體傳感器(A)和可變形光柵傳感器(B)在90s內(nèi)的液體壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比圖，其中液體為水。在15s、25s、52s、76s左右的回落是由于巨大的壓力變化(>1.5psi)，55s至75s的波動(dòng)是由于我們?nèi)藶橹圃斓奈⑿毫Σ▌?dòng)(<0.5psi)。我們可以看出本發(fā)明的可變形光柵傳感器在壓力變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生更為明顯的變化，特別是微小的壓力波動(dòng)，靈敏度大概在5μW/psi。但是當(dāng)發(fā)生較大幅度的壓力變化時(shí)，EGS傳感器立馬就掉至零超出了測量范圍。由此可知，EGS傳感器更有利于測量微小的壓力變化。實(shí)施例4根據(jù)實(shí)施例3的監(jiān)測生物液體壓力變化的方法，這次我們用本發(fā)明的可變形光柵傳感器檢測生物體液，我們進(jìn)行自由溶液蛋白抗原和抗體結(jié)合。自由溶液的意思是結(jié)合反應(yīng)發(fā)生在流體內(nèi)而非表面，所以沒有表面反應(yīng)。我們準(zhǔn)備了牛血清蛋白(BSA)和抗牛血清蛋白免疫球蛋白G(IgG)，濃度都為10μM。兩者都是從Sigma-Aldrich購買。我們使用兩個(gè)注射器，一個(gè)用于BSA，一個(gè)用于IgG，兩個(gè)注射器用Y連接器連接。兩者的結(jié)合反應(yīng)會(huì)在流體進(jìn)入EGS的半球體腔前發(fā)生。我們假設(shè)這個(gè)反應(yīng)會(huì)改變流體的折射系數(shù)和不透明度，因此正向衍射可以用來監(jiān)測反應(yīng)的發(fā)生。我們使用光電探測器來測量衍射級(jí)10光束的功率變化。實(shí)驗(yàn)在37攝氏度(最佳結(jié)合溫度)下進(jìn)行。圖8顯示功率在結(jié)合前后的變化情況。結(jié)合發(fā)生在60s左右的時(shí)候，我們可以看到衍射級(jí)10的光束功率有一個(gè)急速的下降，從12.7μW到12μW，之后功率趨于穩(wěn)定，這表明流體的折射系數(shù)呈現(xiàn)出一種新的穩(wěn)定的狀態(tài)。當(dāng)前第1頁1 2 3