具有沿纤芯中心的中空通道以用于接收样本的光纤的制作方法

背景技术：

已知用于在介质（特别是流体介质）中表征样本的不同分析技术。

流式细胞术被用于医学和生物学基础研究工作并且作为诊所中的众多医学部门中的常规诊断方法。液体在此处穿过小池（cuvette）并且关于其大小、质量或结构来分析包含在其中的分子或胶体物质。在光学分析中，将光束聚焦到液体流上，使得可以分析各个分子。在这种方法的帮助下，可以实现每一时间单位的高测量数目（每一秒多于1000个测量结果）并且统计上因而可以关于样本快速地得出可靠结论。

这样的散射光测量布置以及前述类型的测量单元例如从DE 10 2013 210 259 A1已知。以具有中心纵向孔的石英玻璃的中空柱体的形式的流体测量单元与色谱系统耦合。具有要表征的颗粒的液体流穿过孔并且暴露于激光束，其经由中空柱体包层而引入。接收散射光的检测器以不同角度布置在柱体测量单元周围。为了最小化由于测量单元的石英玻璃中或表面上的杂质的散射所致的检测误差，建议应当使测量单元围绕其纵轴旋转。作为流体单元的可替换方案，小池还被用于进行批量测量。

该方法具有以下缺点：引入到测量单元中的激光束仅可以聚焦在小空间区内，这限制了精确可测量的样本体积。此外，代替散射光，通常必须检查荧光以获得可以从背景分离的更强信号。然而，仅非常少的样本颗粒展现自然荧光。这就是为什么在这样的情况下要求具有通过荧光基扩展的样本的制备。

基于纳米颗粒追踪分析（NTA）的测量设备也是在商业上可获得的。在该测量方法中，基本原理还在于在测量单元中的液体中提供样本颗粒并且利用激光辐照它们。典型地，在显微镜之下借助于位置敏感的芯片来评价和分析散射光，由此原则上可以表示扩散和输运移动。

NTA技术的缺点一方面在于低信噪比，因为光散射不仅发生在样本颗粒上，而且还发生在测量单元的壁上，并且由此产生不期望的背景。另一方面，由于以下事实导致测量是有时间限制的：对于测量而言，激发激光可以仅在有限区域中聚焦在样本上（光斑大小大约是激发光的波长的量值）。如果样本颗粒由于其运动而穿过激发区，则其将不再被检测到。

根据“电阻脉冲感测”（RPS）测量原理，通过测量电流中的改变来检测穿过纳米孔径的颗粒。由此可以确定样本颗粒的大小。

“表面增强拉曼散射”（SERS）方法是基于分子的拉曼散射的检测，如果这些定位成接近极度放大拉曼信号的金属表面的话。WO 2011/037533 A1描述了用于该方法的测量单元，其中提供了具有芯和包围芯的包层的光纤，光纤前端充当所谓的“SERS表面”并且出于该目的而覆盖有金纳米颗粒，而另一纤维端连接到拉曼光谱仪。为了更好地固定金纳米颗粒，包层在对应纤维端上突出成超出芯的前侧几个微米，由此形成具有内壁的腔室，纳米颗粒固定到该内壁。

技术目标

简单且不昂贵的测量方法将是期望的，其使得可能检测流体介质（液体、气溶胶、气体）中的小颗粒或分子并且得出关于其属性（诸如大小和扩散速率）的结论，而不在时间分辨率方面受限制，并且同时没有样本颗粒周围环境中的有效改变（例如，没有将其空间固定）。

在流式细胞术测量方法中，分析在颗粒处散射的光。这要求仪器方面的很少努力并且因此将原则上可用于成本高效的分析。然而，小颗粒的散射强度随着颗粒直径的六次幂而降低，其限制了测试样本的可检测颗粒尺寸，特别是在其中此外高背景信号使信噪比恶化的情况下。

本发明的目标是提供一种测量单元，其可以奠定用于这样的测量方法的基础。

本发明的大体描述

从前述类型的测量单元开始，根据本发明而实现该目标，因为测量单元配置为用于引导光束的光波导，所述波导包括具有折射率n_k的芯，其沿所述波导的纵轴延伸，在垂直于纵轴的横截面中具有小于80μm²的横截面积A_k，并且其被折射率小于n_k的包层所包围，其中所述腔室形成通道，该通道沿纵轴延伸，形成在所述芯内部或者与所述芯接触，并且具有开口面积A_H小于0.2μm²的至少一个开放端。

通道形成在光纤中，例如在阶跃折射率或者渐变折射率光纤中或者在另一个波导结构中，例如在由蚀刻和沉积过程制造的半导体微芯片中。光波导的光传导通过芯和包层的不同折射率而实现。中空通道服务于接收流体介质，流体介质包含要分析的样本颗粒。流体介质此处装入中空通道中，或者其通过流过中空通道而被引导通过中空通道。包含在其中的样本颗粒可以沿中空通道的纵轴移动，但是它们在垂直于此的方向上在其运动中受通道的宽度尺寸的限制。在这方面，通道的宽度尺寸在空间上将样本颗粒在横向方向上的运动路径限制到某一程度。出于该目的，将中空通道约束到由小于0.2μm²的开口面积限定的宽度。在具有圆形横截面的通道中，这对应于小于500nm的直径。简单光学显微镜的景深对于检测该范围内的样本颗粒是足够的。然而，优选地，中空通道甚至更小；其具有例如在20nm到500nm范围中的直径，优选地在50-300nm范围中，如果其在垂直于纵轴的横截面上为圆形的话。根据本发明的“测量单元”包括具有芯和形成在芯中的中空通道的光纤，所述中空通道适配用于接收包含样本颗粒的流体介质，并且通道具有由小于0.2μm²的开口面积限定的宽度，使得宽度足够小以在空间上将样本颗粒在横向方向上的运动路径限制到允许其显微镜检测的程度。

用于在前侧处耦合到芯中的激发辐射的光的空间包含全部是更加显著的，并且芯的横截面积越小，在芯中引导的光强度就越高。在短波激发辐射的情况下，以及在芯和包层之间的大折射率差异的情况下，芯的小横截面积还促进了单模光传导的实现。这有助于增大穿透到中空通道中的辐射能量并且由此改进通道的光照。出于该目的，芯在垂直于纵轴的横截面中具有小于80μm²的横截面积A_k。在具有圆形横截面的芯中，这对应于小于10μm的直径。然而，优选地，芯直径甚至更小；例如，其具有小于3μm的直径，如果其在垂直于纵轴的横截面中为圆形的话。从实践观点来看，小于1μm的芯直径不是优选的。

通道在光波导内在芯的内部或者与芯接触地沿纵轴延伸。其与芯共享接触表面。在垂直于纵轴的横截面中观看（出于简单起见，在此之后也简要地称为“径向横截面”，这并不意图将横截面约束为圆形形状），通道直接紧邻芯或者与芯接触地延伸，或者其部分地或优选地完全地在芯内延伸。在任何速率下，至少部分地，优选地完全地由芯材料限定中空通道。

经由光波导的芯/包层结构沿纵轴并且在中空通道中沿测量区段来引导激发辐射。根据射线光学方面，光传导是基于关于条件n_k＞n_M（钠蒸汽灯的D线的波长处的折射率）的全反射。在芯中引导的光此处可以穿透到通道中并且“照射”中空通道。从芯到中空通道中的该光强度传输不限于点或位置，而是发生在非常长的区段之上，例如沿芯和通道之间的整个接触表面。已经穿透到通道中的光因而可以充当用于激发散射或者存在于通道内的样本颗粒的其它状态的辐射，也就是说在相当大的区段之上，其还准许在相当长的区段之上监控样本颗粒的移动。中空通道的受约束的开口宽度防止样本颗粒从激发光场迁移出来。

在通道内的强度分布尽可能大并且在径向和轴向方向二者上均匀时样本颗粒的高效光照是有利的。到达通道的辐射强度的比例可以充当测量单元设计的适用性的度量。在这方面，通道中的强度最小值和芯中的最大强度的比值被视为测量值。这种所测量的值应当为至少1%；优选地其为30%或更多。

如所已知的，阶跃折射率类型的光波导中的光传播模式的数目对于给定波长而言基本上取决于芯和包层之间的折射率差异以及芯直径。关于所引导的激发光向中空通道中的可再生转移，优选本发明的测量单元的实施例，其中芯和包层的折射率之间的差异、芯的横截面积以及所引导的光束的波长经协调使得可以传播光束的基模以及不多于20个的另外的模式。

在多谱段激发辐射的情况下，当用于光传导的该条件满足于光谱的最短波长时是有利的。

本身特别优选的是，其中仅形成一个单模（基模）的实施例，如所谓的单模纤维的情况。此处，所引导的光强度单独地通过基模传输，这促进了光强度尽可能高地转移到通道中。在具有若干模式的配置的情况下，光强度在这些模式之上分布，其一方面引起芯和中空通道中的低强度最大值。另一方面，在各个模式之上的能量分布难以确定，使得在多模式激发辐射的情况下，相比于单模辐射的情况下，可能不太准确地限定腔室中的真实强度分布，这使得散射辐射的评价更加困难。芯（芯直径）越小，在原本完全相同的条件之下可能的光模式就越少。因此，真实的是，原则上可以确保光传输的单模性，因为芯（芯直径）的大小设定成充分小。然而，小的芯尺寸还引起增大的制造和调节工作量。芯越小，光向所述芯中的传输就越复杂。在实践中，此外难以精确地选择预确定的芯直径并且在测量单元的整个长度之上保持该芯直径。因此，另一方面，尽可能大的芯直径将是最佳的，在该情况下，仅勉强确保光传输的单模性。此外，通道改变构成创建光模式的基础的边界条件（关于麦克斯韦方程的边界条件），使得特别地在关于单模光传播的近乎截至设计的情况下（靠近所谓的截至波长），甚至可以容易地形成更高的模式。因此，除基模之外，某一数目的较高模式被视为可接受的，只要该数目不超过20个模式即可。

其中芯和包层由高硅质玻璃构成的测量单元已经证实为有用的。

“高硅质玻璃”代表具有以重量计至少60%的SiO₂含量的光学透明玻璃。

在这一点上，优选其中芯包括掺杂有氧化锗的石英玻璃的测量单元，并且包层包括没有掺杂或者掺杂有能够降低石英玻璃的折射率的组分（特别地，氟）的石英玻璃。

石英玻璃在大约150nm和3000nm之间的宽波长范围之上基本上透明。因此，测量单元允许利用在从UV到红外的范围中的波长的激发辐射，其中具有通过测量单元本身的壁的小散射贡献。此外，材料石英玻璃有助于实现例如小于100nm的特别小开口横截面的通道，这归因于其中可以实施热成形的相对大的温度间隔。

氧化锗引起石英玻璃的折射率的增大。已经发现的是，在芯中引导的光强度以及因而还有穿透到中空通道中的强度越高，芯和包层之间的折射率差异就越大。当芯掺杂有氧化锗并且包层同时掺杂有氟时，可以在芯/包层边界处建立特别大的折射率差异。该差异优选地为至少8x10^-3。

使芯玻璃掺杂有氧化锗具有缺点，因为锗在高温处理步骤期间可能蒸发，由此改变折射率的径向轮廓。因此，在根据本发明的单元的另一个优选实施例中，芯包括未掺杂的石英玻璃，并且包层包括具有折射率n_c的石英玻璃，所述石英玻璃掺杂有能够减小石英玻璃的折射率的组分（特别地，氟）。

未掺杂的石英玻璃具有高光学透射率以及比掺杂石英玻璃更高的粘性。相比于具有较低粘性的芯玻璃而言，芯玻璃的高粘性促进了芯区内部的甚至非常小的通道的维持。

已经发现的是，小芯直径和折射率的大差异二者有助于从芯穿透到通道中的高辐射强度。鉴于此，如果芯玻璃由未掺杂的石英玻璃制成，并且差n_k-n_c为至少16×10^-3，优选地至少20×10^-3，则这是有利的。

已经证实的是，当芯和包层由整块（massive）固体材料制成时，这是有用的。

芯和包层二者包括固体的且整块的块状材料。芯和包层二者在径向横截面中展现了名义上均匀的折射率轮廓。在制造过程期间可能难以防止由于高温度和扩散过程所致的折射率中的局部改变。然而，包层没有内部边界，诸如例如另外的芯或者另外的通道。同样地，除与单个中空通道以及与单个包层的接触区域之外，芯不具有另外的边界。在没有边界存在的情况下，测量单元基本上没有边界相关散射；特别地，其具有独特的无散射包层。

此外，所谓的模式耦合的效应被避免，通过模式耦合，一模式的能量耦合到另一模式中。当存在不同光引导区（例如，光波导中的若干芯）时，可能发生该效应。模式耦合具有以下效果：光的能量在不同光引导区之间周期性地交换。然而，这具有以下效果：沿光波导的纵轴的散射速率是变化的。因而，取决于纤维的各种位置，样本颗粒将在轴向上向不同角度散射，因为光场周期性地变化。如果中空通道没有形成在芯内部，而是远离它，则还可以可能地发生该效应。在优选实施例中，完全排除这样的模式耦合，使得光的强度（除了（可忽略的）衰减）是轴向独立的。

还已经证实的是，当在垂直于纵轴的横截面中时，这是有利的；芯是具有小于10μm的直径并且位于中空通道的相应横截面区域内部的芯中心点的圆形。

通道优选地提供在用于从芯出来的光的穿透的条件最佳的位置处。理想地，该位置位于芯中心点中。然而，通道还可以从其横向地延伸。在根据本发明的测量单元的最简单情况下，芯、包层和中空通道相对于彼此在光波导中同轴地延伸。中空通道和芯此处在径向横截面中为圆形并且相对于彼此同心。根据本发明的测量单元的旋转对称性在测量条件和测量结果与其在测量仪器内部的空间取向无关的程度上的使用期间是有利的。芯直径优选地为小的并且小于10μm，特别优选地小于3μm。根据本发明，已经在上文进一步结合其小径向横截面而解释了小芯直径的优点。

当一方面在芯中引导高辐射能量，该辐射能量在另一方面可以尽可能高效地穿透到通道中时，这是有利的。在这方面，优选其中通道完全地在芯内部延伸的测量单元的实施例，其中在垂直于纵轴的横截面中，芯具有横截面积A_k并且通道具有横截面积A_H，其中比值A_k/A_H大于4，优选地大于20。

在该情况下，在径向横截面中观看的中空通道完全地在芯内延伸。其在其长度之上被芯材料所包围，使得在芯中引导的辐射能量可以高效地穿透到中空通道中。然而，在该情况下，中空通道（在径向横截面中观看）的开口面积完全是以芯的横截面积为代价。为了能够提供芯内部的足够高的辐射能量，通道的横向尺寸（例如，其内直径）优选地必须调节成使得芯的其余横截面积仍然为中空通道的开口面积的4倍，优选地20倍。

光波导此处优选地配置为具有通道的阶跃折射率纤维，其中通道具有开口宽度，其小于要在光波导中引导的光束的波长。

在测量单元的特别优选的实施例中，光波导配置为具有圆形横截面的光纤，其中包层具有在150μm到300μm范围中的外直径。

该厚度的纤维一方面仍然是柔性的并且因而相比较大厚度的刚性纤维而言不太易于断裂。另一方面，其厚度大于光学单模标准纤维，使得可以更加容易地处置它。包层可以附加地提供有保护覆盖物。

根据本发明的测量单元的基本优点在于：

1. 样本材料的空间包含

2. 低背景信号

3. 测量非常小颗粒/分子的可能性

4. 将测量仪器容易地集成到现有、商业可获得且普遍的测量仪器中，以及从而实现小的获取成本和光波导的适中的生产成本。

根据本发明的测量单元适于在用于医学或生物学上下文中的个体分子的检测的流式细胞术中使用。除此之外，测量单元在基于流式细胞术的纳米颗粒分类、环境测量（气溶胶）或者用于光化学过程的微型反应器的领域中提供可能的应用。

根据本发明的测量单元的优选实施例通过伸长而从预制件获得，其中测量单元以具有光传导中空通道的光纤的形式存在。中空通道完全地在光纤的芯内在径向横截面中延伸。其在其长度之上被芯材料所包围，从而导致辐射能量向通道内的有效穿透，其中在芯中引导辐射能量。为了能够在芯中提供足够大量的辐射能量，通道的横向尺寸（例如，其内直径）必须优选地设定成使得芯的其余横截面积仍然为通道的横截面积的4倍，优选地20倍。

在最简单的情况下，已经预确定了预制件中的该比值，从该预制件按真实比例拉出光纤。

根据本发明的半成品的有利研发根据从属权利要求而变得明显。在从属权利要求中指示的半成品的设计的范围内，复制在从属权利要求中关于根据本发明的测量单元所提及的实施例，参照关于对应权利要求的以上评述以得到补充解释。

根据本发明的测量单元适于在将于下文解释的颗粒检测装置中使用。测量单元对检测装置做贡献，因为其提供包括入口和至少一个通道壁的中空通道，入口准许将光引入到通道中，所述通道壁或者每一个通道壁被布置成限定光可以通过其传播的通道路径；光源，其配置成经由入口将光引入到通道中，通道成形为引导光沿通道路径传播以用于照射位于通道路径中的一个或多个颗粒；以及监控设备，其配置成检测通过所引导的光对所述颗粒或每一个颗粒的光照而创建的并且通过穿过所述通道壁或每一个通道壁而离开通道的散射光。

颗粒检测装置准许在存在于通道路径中的流体（例如，液体或气体）中自由扩散的颗粒的光学检测。特别地，颗粒检测装置的配置准许使用相干和/或非相干光散射来检测非常小的颗粒，特别是在低于100nm范围中的颗粒。

通过以上文陈述的方式配置通道和监控设备，没有被所述颗粒或每一个颗粒散射的任何光保持沿通道路径引导使得仅由监控设备检测到散射光。这可以例如通过散射光在与引导光的引导方向的非零角度处通过所述通道壁或每一个通道壁离开通道而实现。这进而提供对背景的卓越信号以及信噪比，并且由此增强所述颗粒或每一个颗粒的检测，因而防止通过照射引导光的残余散射的直接检测而淹没所检测的散射光。

此外，颗粒检测装置的配置允许通道路径中的所述颗粒或每一个颗粒保持由引导光进行照射并且由此保留在成像平面中而没有散焦。使所述颗粒或每一个颗粒保持在引导光的光照平面中不仅消除了对受约束体积中的颗粒的固定的需要，诸如在低温电子显微镜中执行的那样，并且由此导致不太复杂且较便宜的颗粒检测装置，而且还提供延长的检测时段，其准许所述颗粒或每一个颗粒的增强实时追踪并且增加关于所述颗粒或每一个颗粒的可获得信息量。

此外，颗粒检测装置的配置使得能够实现多个颗粒的相干光照，使得当多个颗粒接近彼此时，任何合成近场干涉效应导致颗粒检测装置的检测灵敏度的增强。

如在上文中阐述的颗粒检测装置的改进的检测能力不仅消除了对用专业监控设备检测所述颗粒或每一个颗粒的需要并且由此准许使用较简单且较便宜的监控设备，诸如光学显微镜、智能电话相机或较简单的光检测电子器件，而且还准许在环境条件下，而不是如由低温电子显微镜要求的特定条件下检测所述颗粒或每一个颗粒。

监控设备可以配置成以不同方式检测散射光来研究所述颗粒或每一个颗粒，其示例如下。

监控设备可以配置成测量散射光的相干散射强度、散射光的非相干散射强度、散射光的光谱、散射光在多个方向之上的分布和/或一个或多个颗粒的动态运动，优选地所述颗粒或每一个颗粒的爱因斯坦-斯托克斯扩散常数。

散射光的散射强度的测量准许研究颗粒相互作用。例如，散射光的散射强度的测量准许通过对散射强度中的二次改变、所述颗粒或每一个颗粒的光谱响应或扩散常数来研究颗粒键合和非键合事件。

此外，所述颗粒或每一个颗粒的爱因斯坦-斯托克斯扩散常数和散射强度的同时测量允许区分单个较大颗粒与颗粒的聚合体，即使在它们均展现类似散射强度的情况下。

监控设备可以配置成通过散射光的检测追踪所述颗粒或每一个颗粒的运动。所述颗粒或每一个颗粒的运动的这种追踪准许所述颗粒或每一个颗粒的水动力行为的研究。

监控设备可以配置成测量所述颗粒或每一个颗粒的发射谱。这准许在其光谱特征的基础上识别所述颗粒或每一个颗粒。

监控设备可以配置成检测通过引导光对所述颗粒或每一个颗粒的光照而创建的并且通过穿过所述通道壁或每一个通道壁而离开通道的荧光。

监控设备可以配置成检测相干散射光和/或非相干散射光，并且可选地检测相干散射光和/或非相干散射光的光谱，其通过引导光对所述颗粒或每一个颗粒的光照而被创建并且通过穿过所述通道壁或每一个通道壁而离开通道。

可选地，监控设备可以配置成通过相干散射光和/或非相干散射光的检测来追踪所述颗粒或每一个颗粒的运动。

检测散射光的监控设备的配置准许使用金属、半导体或有机对比剂以增强所述颗粒或每一个颗粒的极化性并且由此增强颗粒检测装置的检测灵敏性。

此外，检测散射光和荧光两者的监控设备的配置准许同时测量散射光和荧光以便例如经由逐步漂白对荧光颗粒的数目进行计数，或者测量所述颗粒或每一个颗粒的发射谱以在其光谱特征的基础上识别所述颗粒或每一个颗粒。

在颗粒检测装置中使用的通道的选择可以根据一系列因素而变化，所述因素诸如颗粒大小、化学组成、设备可用性等。

中空通道的开口宽度可以根据要检测的所述颗粒或每一个颗粒的大小而变化。例如，通道可以布置成运送比引导光的波长小的至少一个颗粒。

通道可以以不同方式形成以使得能够检测要检测的所述颗粒或每一个颗粒的大小。通道可以形成为以下各项或者在以下各项中形成

• 波导；

• 基于芯片的平台，可选地，以平版印刷（lithographically）方式形成的基于芯片的平台；

• 毛细管；

• 光纤。

光纤可以是单模光纤。这样的光纤的使用改进了其中沿通道路径引导光的方式，并且由此改进了位于通道路径中的所述颗粒或每一个颗粒的合成光照以及随后的光散射。

优选实施例

现在将参照实施例和专利附图更加详细地解释本发明。详细地，在示意性图示中，

图1示出了装备有根据本发明的测量单元的流式细胞术中的测量装置的第一实施例，

图2示出了以具有中空通道的光纤的形式的测量单元，该中空通道在顶视图中处于光纤的前侧上，

图3是示出了从其产生测量单元的细管的断裂表面的显微图（图6，参考标号89），

图4示出了在光纤的两个不同实施例中并且用于引导光的不同波长的具有引导光的径向辐射强度曲线的图，

图5示出了取决于中空通道的直径在光引导中空通道中测量的最大强度的模拟（坡印亭矢量），

图6示出了用于产生根据本发明的测量单元的方法步骤，

图7-9图示了当电介质乳胶（latex）纳米颗粒的水悬浮液沿图1的颗粒检测装置的通道路径运送时作为位置的函数的散射强度；

图10图示了使用图1的颗粒检测装置随时间对电介质乳胶纳米颗粒和单个豇豆褪绿斑驳病病毒的位置的追踪；

图11图示了用于折射率的球形颗粒以及用于球形颗粒的聚合体的散射横截面对比扩散常数的理论比较；以及

图12图示了使用图1的颗粒检测装置而来自电介质溶胶纳米颗粒的散射光。

图1示出了流式细胞术中的基本测量布置。测量装置不是本发明的主题。

测量原理是基于由于样本颗粒的光照的结果的散射光、荧光或者以其它方式发射的光的光学检测。检测可以但不需要以位置、频率或强度敏感的方式实施。在对应评价光学器件和算法的帮助下，可以记录所分析的样本颗粒的特性，诸如大小、形式、扩散速率、移动性、散射横截面。

在图1的测量布置中，根据本发明的流体测量单元以光学中空纤维1的形式而使用，光学中空纤维1具有芯3、包层2和光引导通道4。包含要表征的样本颗粒5的液体流穿过通道4。液体流和包围该流的芯3借助于激光器6来进行照射，激光器6经由中空纤维1的前侧引入预确定激发波长的光。作为单色激光器光的可替换方案，使用多色激发辐射。中空纤维1与监控设备耦合，监控设备可以是包括相机8的常规显微镜系统7，相机8可以是科学的互补金属氧化物半导体（sCMOS）相机。其聚焦或检测平面位于中心轴线9的区中并且借助于其来观察和传递测试样本和包含于其中的样本颗粒5以用于数据评价。此处检测弹性光散射（瑞利散射），该光散射作为来自于散射颗粒的与激发频率相同的频率的散射光。由于中空纤维1的低衰减，背景散射将很难在纤维材料本身中演化。

中空通道4可以形成在单模光纤1中。通道4包括入口和通道壁。入口准许将光引导到通道4中以及芯3中。中空通道4围绕管状孔，其限定光可以通过其传播的通道路径。图2示出了用于例如670nm波长的光的光纤1的径向轮廓。

光纤1可以代替地由聚合物制成。在其它实施例中，中空通道形成为通过平版印刷术（lithography）而制造在基于芯片的平台上的波导。

在使用中，通过毛细管力或者通过外部压力的应用而沿通道路径4运送多个颗粒5。

光源6配置成经由入口将光引入到通道4中。在所示出的实施例中，光源6是激光器。在使用中，光纤1的芯/包层结构引导光以单模式沿通道路径4传播并且由此照射位于通道路径4中的每一个颗粒5。

监控设备8包括物镜、二色性分束器、刀缘反射镜和sCMOS相机8，该物镜配置成导致400X的总体放大率以及多于200μm的有效视场，该sCMOS相机8具有用于6像素x 1024像素区域的3.5kHz的最大帧速率。物镜定位在通道壁外部以收集通过穿过通道壁而离开通道4的光。二色性分束器和刀缘反射镜位于物镜和sCMOS相机8之间，使得二色性分束器DBS将荧光与由物镜收集的光分离，并且刀缘反射镜随后在其通过sCMOS相机8的同时成像之前组合荧光和由物镜收集的光的其余部分。以该方式，监控设备8配置成检测通过引导光对每一个颗粒5的光照而创建的并且通过穿过通道壁而离开通道4的光。

所成像的区域可以沉浸在折射率匹配的油中以克服由光纤1的外部柱体形状引起的像差。可替换地，光纤的包层可以与平坦玻璃载片折射率匹配以在sCMOS相机8上获得颗粒5的几乎各项同性的点状成像。

由于纤维的芯/包层结构，所引入的激光器光在纤芯3中引导并且达到（同样在通道4内）对于光学分析引入到该腔室中的样本体积而言足够的强度。这是每当中空通道4的宽度大约为引导光的波长的量值或者更小时的情况。因而，中空纤维1的光传导使得有可能以准均匀方式在整个长度之上照射中空通道。结果，可以从其检测光以用于显微镜分析的区不限于光斑区（spot region）。

代替其中使测试样本穿过的操作，中空通道4还提供样本体积的一维或二维包含的可能性，由此要分析的样本颗粒5可以在长测量时段内保持在测量区中。

图2示意性地示出了以具有光引导中空通道4的光纤1的形式的测量单元的实施例，光引导中空通道4在顶视图中处于纤维的前侧上。芯3包括氧化锗掺杂的石英玻璃并且具有3μm的外直径。邻接芯3的包层2包括未掺杂的石英玻璃并且具有200μm的外直径。通道4具有200nm的直径。芯3和包层2的石英玻璃的折射率之间的差异为0.008。通道4、芯3和包层2围绕纵轴9同轴地延伸（参见图1）并且在图2的表示平面中彼此同心。除中空通道4之外，芯3或包层2均没有展现可能引起散射的其它结构非规则性或非均匀性。几厘米的纤维长度对于相应测量是足够的。

因而，光纤1包括石英玻璃，并且相比于其它光学材料，诸如多组分玻璃或光学塑料，其展现出针对从紫外直至红外波长范围中的光的低衰减并且因而还展现出卓越的瑞利散射。该属性将测量中的散射背景降低到最小并且允许良好的信噪比。这在非常小的样本颗粒的情况下尤其重要，因为样本颗粒的散射信号以过度线性倒易的（over-linearly reciprocal）方式与颗粒直径相关。因此明确地注意到所描述的散射背景的减少，尤其是在特别小的样本颗粒5的分析中，如例如在生物学过程中发现的那样，并且其可能目前由于其小尺寸而尚未利用该方法进行分析。此处病毒应当以示例的方式被提及。

此外，出于相同原因，在许多情况下可能无需利用荧光物质对要分析的相同颗粒的进行附加标记。相比于每一个荧光分子的荧光的饱和行为，散射光的强度量在物理上不受限制，但是特别地取决于激发光的局部强度。当激发强度可以增大时，散射光的整个强度增大。充分高的散射结果由此还可以在短的时间间隔内实现。这使得可能直接地追踪生物化学过程，包括可能的中间步骤，并且由此测量可以利用该方法分析的属性。

作为可替换方案，还可以检测频移光，如例如在布里渊散射、拉曼散射的测量或荧光测量中的那样。

图3是在增加包层材料的量的另外产生步骤之后，通过真正按比例伸长从其获得光纤的中间产品中的断裂表面的显微图，该光纤具有芯3、包层2和光引导中空通道4。具有中空通道4的光纤1必须满足以下任务中的一个或多个：

• 具有一个或多个样本颗粒5的流体的接收。

• 样本颗粒5可以在其中移动的空间的约束。样本颗粒5此处基本上约束成纵轴9的方向上的一维运动。

• 激发光向样本颗粒5的传输。其目标是在整个通道4内实现尽可能高的光强度，如果可能的话。

• 特别地，在其中要检测弹性光散射（瑞利散射）的情况下，背景散射水平的最小化是重要的（相比于用于光纤的其它材料，通过使用石英玻璃）。

光纤1的构造设计选择成使得中空通道4内的光强度尽可能高。在优选实施例中

• 光纤至少包括光引导纤芯3、包层2和中空通道4，

• 中空通道4位于纤芯3中或者直接在纤芯3上，使得通过纤芯3供应的激发光的部分穿透到中空通道4中。优选地，中空通道4与纤芯3完全定位，

• 光纤1是单模纤维或者具有基模以及以另外仅具有少量模式的纤维（优选地，具有基模和少于20个的次级模式），

• 中空通道4是在两侧处敞开或者闭合的腔室（在最后提及的情况下，样本介质被围绕，例如因为中空纤维的末端在没有中空通道的情况下与其它光纤接合），

• 在径向横截面中观看到的中空通道5具有圆形形状和直径，其大约是引导光的波长的量值或者更少，

• 光纤1具有高数值孔径以及因而尽可能小的芯直径，使得中空通道4中的光强度最大化。

• 光纤1包括掺杂和/或未掺杂的石英玻璃以防止强烈散射背景。

图4示出了关于光纤内的径向强度轮廓的模拟的结果。在图的纵坐标上，对照从中空通道K的中心（p=0）开始的径向位置“p”（以nm计）来绘制（以相对单位）坡印亭矢量„I“的z分量（沿纵向纤维轴线9）。在中空通道4填充有水（水的折射率：1.33）的情况下，坡印亭矢量的量对应于在纤维中引导的基模的强度。

曲线A500和A1000表示如在图1中示出的纤维的径向强度轮廓，其中A500是针对具有500nm波长的引导光所模拟的，A1000是针对具有1000nm波长的引导光所模拟的。在该情况下，包层2和芯3之间的折射率差异是0.008（标准单模纤维的量值的典型数量级）；芯具有3μm的直径。

相比于未受干扰的芯，可以在具有中心孔4（其在该情况下为200nm）的芯3中获得基模的不同强度曲线。强度最大值不是位于纤维中心，而是大概地位于中空通道的壁和包层的内壁之间的中心。可以看出，在水填充的中空通道K内，强度仅稍微跌落并且甚至在总曲线的振幅的量值的相同数量级中处于最小值。

中空通道K中的强度最小值（在中心）和芯中的最大强度的比值在该特定设计中为大约50%。

通过比较，曲线B500和B1000示出了具有芯和包层之间的增大折射率差异的纤维中的基模的强度分布。芯包括未掺杂的石英玻璃并且具有1.7μm的外直径。包层包括掺杂有氟的石英玻璃并且具有200μm的外直径。中空通道具有200nm的直径。芯和包层的石英玻璃的折射率之间的差异在这里为0.025。曲线B500是针对具有500nm波长的引导光所模拟的。曲线B1000是针对具有1000nm波长的引导光所模拟的。

特别地，由于相比曲线A500和A1000的较高折射率差异，对于该测量单元，在芯3内部的辐射的总强度中，在中空通道中引导的总辐射强度比相应B500-和B1000曲线中更大。在曲线B500的情况下，中空通道4中的强度最小值（在中心处）和芯中的最大强度的比值为大约60%。

曲线A500和A1000相应地曲线B500和B1000之间的比较示出具有较高波长（1000nm）的引导光导致在芯区中以及在通道区K中强度I的更平坦的径向分布轮廓。

图5的示图图示了用于两个特定波长500nm和1000nm的中空通道的内直径对在中空通道内引导的辐射强度的影响。如图4那样，曲线A500和A1000表示在图1中示出的纤维的径向强度轮廓，由此曲线A500是针对具有500nm波长的引导光所模拟的，A1000是针对具有1000nm波长的引导光所模拟的，而芯3和包层2之间的折射率差异为0.008，并且依照来自图4的曲线A500和A1000，芯的直径为3.0μm。曲线B500是针对具有500nm波长的引导光所模拟的，B1000是针对具有1000nm波长的引导光所模拟的，每一个都针对0.025的折射率差异和1.7μm的芯直径的情况。

在示图的纵坐标上，对照洞的直径d（以nm计；作为开口宽度）而绘出通道4内部的坡印亭矢量的z分量的最小值和芯中的坡印亭矢量“I”的最大值的比值I_min/I_max（以%计）。此处，该比值表示通道内的光强度的减小量。

由此显而易见的是，在中空通道中引导的辐射强度取决于中空通道的内直径。直径越小，洞内部的最小值处的强度值将变得越高。另一方面，洞越小，将变得更难以制造以及难以与设备一起工作（显而易见地，还有仅小于洞大小的颗粒在物理上能够进入它）。因而，所要求的最小强度和最小洞直径之间的权衡得出50到300nm直径的实际有利的洞直径。

具有中空通道4的光纤1从预制件得到。用于具有由图4中的曲线A表示的纤维的折射率差异的测量单元的预制件的产生应当在此之后参照示例并且参照图6更加详细地解释。

在第一方法步骤中，提供所谓的衬底管81。衬底管81包括未掺杂的石英玻璃并且具有21mm的内直径和2mm的壁厚度。在衬底管81的孔的内壁上，在衬底管的内侧上沉积包含锗的石英玻璃的芯层82。根据已知的MCVD方法，未掺杂的石英玻璃随后将充当包层材料。芯层82的锗含量设定成以便满足关于包层材料的未掺杂石英玻璃的折射率差异0.008。

由此涂敷在内侧上的衬底管81随后坍塌以形成石英玻璃管84，其中维持具有0.5mm直径的孔85。包含锗的层形成具有大约3mm的外直径的中空芯86。石英玻璃管84的外部壁借助于氢氧燃烧器而火焰抛光。以该方式清洁的石英玻璃管84在没有任何工具的情况下在牵引过程中伸长成具有大概2mm的外直径的细管89。在伸长过程期间，利用氮气分别冲刷石英玻璃管和牵引出来的管股的内部洞。

由此获得的细石英玻璃管89的内部洞87具有大概刚好在100μm以下的直径。石英玻璃管89在另外的方法步骤中上覆（overclad）有未掺杂石英玻璃的所谓的套管91。将细石英玻璃管89引入套管的孔中，其同轴地定心于其中并且逐分区地与其融合以形成厚壁管状预制件90。

由此产生的管状预制件90具有粗略地30nm的外直径并且在径向横截面中，其示出内部洞87的同心布置。

此外，预制件90具有单模阶跃折射率设计和同轴中心孔。其被牵引成具有光引导中空通道101的光纤100。为了避免全部坍塌，在牵引过程期间利用氮气给内部洞87加压。所得纤维100具有200μm的标称直径。其由内部洞101、Ge掺杂的石英玻璃的芯区103以及未掺杂石英玻璃的外部包层区102的同心布置形成。内部洞101具有刚好在600nm以下的直径，芯区103具有刚好在3μm以下的外直径。

在此之后，应当描述测量单元的可替换制造过程。制造过程牵涉到沉积步骤，其中借助于标准POD方法（等离子体辅助的外部沉积）在支撑管上产生氟掺杂的石英玻璃层。支撑管包括未掺杂的合成石英玻璃。其具有5mm的内直径和40mm的外直径。为此目的，将SiCl₄、氧和SF₆供应给等离子体燃烧器并且在分配给等离子体燃烧器的燃烧器火焰中将其转换成SiO₂颗粒。由于等离子体燃烧器沿支撑管从一端向另一端反向地移动，所以SiO₂颗粒沉积在围绕其纵轴旋转的支撑管的外部柱体表面上的层中。由此可能的是，将多于5%重量（wt.）的高氟浓度并入在具有15mm厚度的氟掺杂的石英玻璃层的石英玻璃网络中。

在沉积过程之后，将SF₆的加热蚀刻气体流引入到支撑管的中心孔中。SF₆的蚀刻气体流配置成使得支撑管没有完全移除，而是保留具有15mm厚度的未掺杂二氧化硅层。不需要管状形式（=起始装置管）的内部孔的机械处置。

随后在没有任何工具的伸长过程中将以该方式产生的起始装置管牵引成双壁管，其具有未掺杂二氧化硅的芯层和氟掺杂的石英玻璃的包覆层。为此目的，在内部孔中维持与外部应用的外部压强相比提升5mbar的内部压强。这产生双壁管，其包括通过热成形平滑处理的内部壁并且在管的整个长度之上具有特别高的表面质量以及内部孔的精确宽度。

所得双壁管进一步在第二POD沉积过程中处理以用于氟掺杂的石英玻璃层的另外沉积，如已经在上文针对起始装置管的制作而描述的那样，从而导致厚壁“母管”。

使母管伸长以便获得具有光引导中空通道的光纤，如已经在上文参照图4中的曲线B所解释的那样。除同轴内部中空通道之外，所得纤维具有单模阶跃折射率设计。其具有未掺杂二氧化硅的芯和氟掺杂的二氧化硅的包层。从以该方式获得的光纤产生具有期望长度的片段，该片段被用作根据本发明的测量单元。

借助于图1，如下描述了用以检测颗粒的测量单元的典型使用。

最初，利用荧光团标记要沿通道路径运送的颗粒5。在将要沿通道路径运送的颗粒引入到通道4中之后，颗粒5在通道路径中存在的流体（例如，液体或气体）中自由扩散。

在颗粒沿通道路径的运送期间，经由入口向通道4中引入光以照射位于通道路径中的每一个颗粒5。由于通道中的引导光的限制以及通道4的孔的亚波长尺寸，每一个颗粒的光照由于颗粒的大小和极化性而导致散射并且由于荧光团的存在而导致荧光。当颗粒的大小小于引导光的波长时，该颗粒的光照导致相干和/或非相干光散射。

所得散射光和荧光的部分在相对于引导光的引导方向的非零角度处通过通道壁离开通道4。物镜收集散射光和荧光，其然后被传输给sCMOS相机8以用于成像。sCMOS相机8随后处理所检测到的光以便创建每一个被照射颗粒的输出图像，由此准许每一个被照射颗粒5的可视化。

同时，没有被颗粒5散射的任何光保持沿通道路径引导。这导致针对背景的卓越信号以及信噪比，并且由此增强对每一个被照射颗粒的检测，因而防止所检测到的散射光被照射引导光的残余散射的直接检测所淹没。

颗粒检测装置的配置准许使用相干和/或非相干光散射的效应来检测非常小的颗粒，特别是在低于100nm范围中的颗粒。

图9-11图示了当沿通道路径运送电介质乳胶纳米颗粒的水悬浮液时作为位置的函数的散射强度。电介质乳胶纳米颗粒具有19nm、35nm和51nm的标称直径，其中每一个分别对应于针对670nm波长的0.0023nm²、0.09nm²和0.86nm²的散射横截面。

图7是具有1ms曝光时间的乳胶纳米颗粒的示例性原始图像，而图8描绘了对数假彩色中的相同图像（此处：灰度图片）。图9图示了作为位置“p”（以μm计）的函数的总和散射强度log I的半对数绘图。颗粒检测装置能够检测具有19nm、35nm和51bn的标称直径的电介质乳胶纳米颗粒。

此外，颗粒检测装置使得能够通过散射光的检测来测量散射强度并且追踪每一个颗粒的运动。每一个检测颗粒的散射强度的这种测量以及每一个颗粒的运动的这种追踪不仅提供了关于每一个检测颗粒的信息，而且还准许研究每一个颗粒的热学扩散以及由此的水动力行为。

图10图示了使用颗粒检测装置随时间t[以秒计]对以上电介质乳胶纳米颗粒和26nm单个豇豆褪绿斑驳病病毒（CCMV）的位置“p”（以μm计）的位置的追踪。

图10包括作为用于以上电介质乳胶颗粒和26nm单个CCMV的所提取的扩散常数D的函数的平均检测的散射强度“I”的绘图，以及用于所追踪的颗粒的所检测的散射强度的对数的直方图。从图10的绘图和直方图中可以看出，如通过参考标号42,44,46,50,52,54所指示，具有不同标称直径的不同电介质乳胶纳米颗粒显著地展现彼此不同的散射强度。颗粒检测因此能够基于其不同散射横截面而在具有不同标称直径的不同电介质乳胶纳米颗粒之间进行区分。

此外，可以从图10的直方图中看出，相比于电介质乳胶纳米颗粒的50,52,54，单个CCMV由于其较低的折射率对比而展现出较低的散射强度56，并且所以颗粒检测装置30能够在电介质乳胶纳米颗粒和单个CCMV之间进行区分。

另外，每一个所检测的颗粒的爱因斯坦-斯托克斯扩散常数和散射强度的测量允许从单个较大颗粒区分颗粒的聚合体，即使是在它们二者展现出类似的散射强度的情况下。

每一个所检测到的颗粒的扩散常数和大小通过以下获得：

• 获得用于每一个时间间隔的位移直方图；

• 验证位移直方图为高斯型；

• 使用位移直方图的方差（variance）来计算对应均方位移（MSD）；

• 根据针对小间隔的MSD相对时间间隔的斜率的拟合的一半来计算扩散常数；

• 使用爱因斯坦-斯托克斯方程来计算每一个所检测的颗粒的水动力直径。

室温下用于水的爱因斯坦-斯托克斯方程是：

水动力直径

其中D是扩散常数。

图11图示了用于不同折射率n1和n2的球形颗粒以及用于颗粒聚合体的散射横截面西格玛（sigma）（以[nm²]计）相对于扩散常数D（以μm2/s）的理论比较。

图11中的圆点58表示多个20nm乳胶纳米颗粒的散射横截面相对于扩散常数的理论模型。上部直线60表示用于不同大小并且折射率n1=1.65的单个完整球形乳胶颗粒的散射横截面相对于扩散常数的理论模型。下部直线62表示用于不同大小并且折射率n2=1.4的单个完整球形蛋白质颗粒的散射横截面相对于扩散常数的理论模型。

从图11可以看出，来自多个20nm乳胶纳米颗粒的聚合体的散射强度展现出具有与不同大小的完整球形颗粒的散射行为不同的散射常数的散射行为。因而，缩放（scaling）行为中的这种差异允许从单个较大颗粒区分颗粒的聚合体，即使是在它们二者展现出类似的散射强度的情况下。

图12图示了使用颗粒检测装置随时间对单个豇豆褪绿斑驳病病毒（CCMV）的位置的追踪。通过使用颗粒检测装置随时间追踪每一个所检测到的颗粒的位置，可以分析其布朗运动以经由爱因斯坦-斯托克斯方程得出每一个所检测到的颗粒的扩散常数以及因而得出其大小，如随后在本申请中讨论的那样。可以从图12看出，颗粒检测装置能够追踪具有20nm范围中的大小的单个CCMW。

检测散射光的监控设备的配置准许使用金属、半导体或有机对比剂以增强每一个颗粒的极化性并且由此增强颗粒检测装置的检测敏感性。此外，检测散射光和荧光二者的监控设备的配置准许同时测量散射和荧光以便测量每一个颗粒的发射谱。这准许在其光谱特征的基础上识别每一个颗粒。

散射光的散射强度的测量准许研究颗粒相互作用。例如，散射光的散射强度的测量准许通过散射强度中的二次改变、光谱响应或者每一个颗粒的扩散常数的检测来研究颗粒键合和非键合事件。

可选地，监控设备可以配置成测量散射光的光谱和/或散射光在多个方向之上的分布。

液体中的小颗粒的热学扩散与其大小成反比并且对于水中的10纳米球形颗粒可以达到每秒数十平方微米，因而将可用检测时段限制成其中颗粒在成像焦平面中花费的持续时间。

另一方面，图1的颗粒检测装置的配置允许通道路径中的颗粒保持受引导光的照射并且因而保持在成像平面中且没有散焦。使颗粒保持在引导光的光照平面中不仅消除了对受约束的体积中的颗粒的固定的需要，诸如在低温电子显微镜中执行的那样，并且由此导致不太复杂且较便宜的颗粒检测装置，而且还提供了延长的检测时段，其准许每一个颗粒的增强实时追踪并且增加关于每一个颗粒的可获得信息量。

相比于散射光检测，在荧光显微术中，速度受荧光发射速率所限制，并且可用检测时段被荧光的光致漂白所缩短。

如在上文中阐述的颗粒检测装置的改进的检测能力不仅消除了用于使专门监控设备检测每一个颗粒的需要并且由此准许使用较简单且较便宜的监控设备，诸如光学显微镜、各种类型的光电检测器、线CCD检测器或智能电话相机，而且还准许在环境条件之下而不是如由低温电子显微镜所要求的特定条件之下检测每一个颗粒。

在其它实施例中，颗粒检测装置可以包括用于驱动每一个颗粒沿通道路径流动的驱动机构。在这样的驱动机构的一个示例中，可以将电极并入通道4中以准许使用电泳力来沿通道路径操控每一个颗粒。