检测分子的方法及光学传感器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种借助光学传感器检测特定物质的分子的方法。该方法包括以下步骤：使所述传感器与待分析的流体接触，将第一波长(λ1)的光耦合至所述传感器的光学共振器(3)中，所述共振器(3)至少部分地覆盖有用于选择性吸收一组物质的覆盖材料的活性层，将第二波长(λ2)的光耦合至所述传感器的同一共振器(3)中或第二光学共振器(3′)中，所述第二共振器(3′)至少部分地覆盖有同一覆盖材料的活性层，对于所述第一波长和所述第二波长(λ1,λ2)中的每一个，检测从包含相应共振器(3,3′)的光路耦合出的光信号，改变相应共振器(3,3′)的光程或相应的波长(λ1,λ2)，从而扫描含有相应共振器(3,3′)的至少一个共振的间隔，和-通过所述共振器(3,3′)的活性层处累积的分子，检测该共振的展宽，所述共振的展宽表明对进入相应共振器(3,3′)的光的吸收。本发明还涉及一种为实施该方法而设计的光学传感器。
【专利说明】检测分子的方法及光学传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种检测特定物质的分子的方法及为实施该方法而设计的光学传感器。
【背景技术】
[0002]文献EP 2 270 478 Al描述了一种光学传感器，包含光路，用于产生光并将该光供给到光路中的光源，和用于检测从第一光路耦合出的光信号的光检测器，其中，所述光路包括光学共振器等，所述光学共振器至少部分地覆盖有用于选择性吸收某一特定种类分子的覆盖材料的活性层。用该传感器实施的测量利用的是吸收的分子影响共振器光程使该共振器的共振频率发生改变，而这又可通过检测从所述光路耦合出的光进行检测。因此，可以检测与活性层接触的流体是否含有特定种类的分子。
[0003]即使选择性极强的材料被用于活性层，该层仍然不是仅确切地吸收一种物质的分子而是吸收整组物质的分子。这特别是适用于化学性质相似的物质。由于这一原因，在上述提及的现有技术水平下无法避免不确定性，因此仍然不能确定，所检测的分子是否真的具有待检测的特定物质或者仅是化学性质相似。
【发明内容】
[0004]因此，本发明的一个目的是提供一种更精确的方法和相应的传感器，用于检测特定物质的分子，避免不确定性。此外，应该能够用很少的努力并在较短时间内实施该方法和实施相应的测量。
[0005]根据本发明，所述目的通过权利要求1所述的方法和权利要求6或16中任一项所述的传感器而实现。本发明的有利实施方案可用从属权利要求的特征来实现。
[0006]所提供的通过光学传感器检测特定物质的分子的方法包括
[0007]-使所述传感器与待分析的流体接触，
[0008]-将第一波长的光耦合至所述传感器的光学共振器中，所述共振器至少部分地覆盖有用于选择性地吸收一组物质的覆盖材料的活性层，所述一组物质包括待检测的物质，
[0009]-将第二波长的光耦合至所述传感器的同一共振器中或第二光学共振器中，所述第二共振器至少部分地覆盖有同一覆盖材料的活性层，
[0010]-对于所述第一波长和所述第二波长中的每一个，检测从包含相应共振器的光路率禹合出的光信号，
[0011]-对于所述第一波长和所述第二波长中的每一个，改变相应共振器的光程或相应的波长，从而扫描包含相应共振器的至少一个共振的间隔，
[0012]-对于所述第一和第二波长中的每一个，通过所述共振器的活性层处累积的分子，检测该共振的展宽，所述共振的展宽表明对进入相应共振器的光的吸收。
[0013]本文中，检测共振的展宽是指检测或测量相应共振的宽度，并将该宽度与参考值进行比较。优选地，所述参考值选择为在传感器不与待分析的流体接触并因而不受其影响时的同一共振的宽度。它可以定义为，例如，当传感器与参考流体，例如水或空气，接触时测得的相应共振的宽度。可以检测到不同共振的展宽，原因在于在使传感器与待分析的流体接触之前另外实施同样的测量，或者从所述传感器中除去待分析的流体之后和/或使传感器与参考流体接触之后再次实施同样的测量。
[0014]可使用任何通常的测量来限定所述相应共振的宽度。所述宽度例如可定义为由相应共振的共振波长分离的两个波长的半最大值处的全宽或该两个波长之间的差值，对应于该共振的两个边缘的最大坡度的点或拐点(inflection point)。
[0015]在本文中，术语流体可以表示任何分析物。特别是，该术语可以表示液体或气体。
[0016]通过这种方法，不仅获得关于流体中所含的任何物质的分子是否被一个或多个活性层吸收的信息。此外，当第一波长和第二波长不同时，获得这些分子对两个不同波长的光吸收行为的信息。这有助于确定所吸收的分子是一在活性层用作选择性吸收剂的物质组中的一哪种物质。当然，可以通过对至少一种另外的波长实施相同的分析来概括出该方法。
[0017]特别地，在实施上述步骤后，根据仅针对第一波长或仅针对第二波长或针对这两个波长是否可以检测到共振的展宽一或超出一定阈值的展宽，可以确定所述流体是否含有待检测物质的分子。因此，该方法可以进一步包括:根据仅针对第一波长或仅针对第二波长或针对这两个波长是否检测到超出一定阈值的展宽，识别所述流体是否含有明显浓度的待检测物质的分子。为此，所述第一波长和所述第二波长可以选择为物质组中的一个或多个物质而不是其中所有物质的典型吸收波长。
[0018]所述第一波长和所述第二波长之间的差值通常会选择为比共振器或每一个共振器在相应波长处相邻共振之间的间距(spacing)大至少一个数量级一通常大几个数量级。在本文中，数量级应理解为以十倍计。
[0019]在所述方法的一个优选实施方案中，对所述第一波长和所述第二波长中的至少一个，除了展宽之外，还确定共振的位移，所述位移表明相应共振器的光程的变化，所述变化是由该共振器的活性层处累积的分子引起的。这使得分析更精确，因为位移表明分子已被活性层吸收并且甚至可以作为对所吸收的物质的量的量度，因此可以在考虑所述量的基础上来评价所述展宽。特别地，根据一种或另一种共振的位移，可以定义前文针对共振的展宽(用于确定流体中是否含有一种或其他物质)所提到的阈值。
[0020]在每种情况下，可以通过确定在所述间隔内光信号相对波长的导数以及确定共振处该导数的两个极值之间的间距而容易地检测共振的展宽，所述间距为所述展宽的量度。更精确地，所述两个极值为所述导数的绝对值的两个最大值。为此，所述导数可以借助锁定放大器按如下确定:用调制信号调制共振器光程或波长，将用于检测光信号的光检测器的输出供入锁定放大器中，以及使用调制信号作为该锁定放大器的参考信号。
[0021]为了按上文所述检测特定物质的分子，提出了两个类似的光学传感器，两者能实现同样的目的。
[0022]在本发明的第一实施方案中，用于检测特定物质的分子的光学传感器包含
[0023]-第一光路、用于产生第一波长的光的第一光源和第一光检测器，所述第一光源光耦合至所述第一光路以将所述第一波长的光供入所述第一光路，所述第一光检测器光耦合至所述第一光路以检测从所述第一光路耦合出的光信号，
[0024]-所述传感器还包含第二光路、用于产生第二波长的光的第二光源和第二光检测器，所述第二光源光耦合至所述第二光路以将所述第二波长的光供入所述第二光路中，所述第二光检测器光耦合至所述第二光路以检测从所述第二光路耦合出的光信号。
[0025]所述第一光路和所述第二光路中的每一个均含有光学共振器，所述光学共振器至少部分地覆盖有用于选择性吸收一组物质的覆盖材料的活性层，所述一组物质包括待检测的物质，所述覆盖材料对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。两个光路的共振器和/或所述第一光源及所述第二光源是可调节的，以改变所述共振器的光程和/或所述第一波长及所述第二波长，所述传感器还包含控制单元，用于控制所述光源和/或所述共振器，所述控制单元被配置为，用于改变所述共振器的光程和/或所述第一波长及所述第二波长，从而扫描包含相应共振器的至少一个共振的间隔。
[0026]所述第一波长和所述第二波长是不同的。通常，所述第一波长和所述第二波长之间的差为，比共振器中每一个在相应波长处的相邻共振之间的间距大至少一个数量级——优选几个数量级。在此情况下，通过改变所述第一波长和所述第二波长而扫描到的间隔或等效地通过改变相应共振器的光程而使所述共振发生位移而扫描到的波长间隔，应理解为比所述第一波长和所述第二波长之间的差值小至少一个数量级。这也适用于下文所述的第二实施方案。因此，即使所述第一波长和所述第二波长发生改变，仍可清楚地将它们的不同波长或波长间隔进行相互区分。
[0027]在本发明的第二实施方案中，用于检测特定物质的分子的光学传感器包含光路、用于产生第一波长及第二波长的光的至少一个光源、光检测器，所述至少一个光源光耦合至所述光路以将所述第一波长和所述第二波长的光耦合至该同一光路中，所述光检测器光耦合至所述光路以检测从该光路中耦合出的光信号。同样在此情况下，所述光路含有光学共振器，该光学共振器至少部分地覆盖有用于选择性吸收一组物质的覆盖材料的活性层，所述一组物质包括待检测的物质。另外，所述第一波长和所述第二波长之间的差典型地比共振器在所述第一波长和所述第二波长中的每一个处的相邻共振之间的间距大至少一个数量级，或者甚至几个数量级。所述共振器和/或所述至少一个光源是可以调节的，用于改变所述共振器的光程和/或所述第一波长和所述第二波长，所述传感器还含有控制单元，所述控制单元被配置为，
[0028]-用于控制所述至少一个光源，使得所述第一波长的光及所述第二波长的光被相继供入所述光路中，
[0029]-用于改变所述共振器的光程和/或所述第一波长和所述第二波长，使得对于所述第一波长和所述第二波长中的每一个，扫描含有所述共振器的至少一个共振的间隔，
[0030]-和用于对于所述第一波长和所述第二波长中的每一个，检测所述共振的宽度和
/或展宽。
[0031 ] 在这两个实施方案中，所述传感器可有利地用于实施上述检测方法。同时，其具有相当简单的结构并可以紧凑坚固的形式而实现。
[0032]为此，传感器或至少其多个部分——特别是包括一个或多个共振器的一个或多个光路一可在芯片上实现，称为集成光学电路。所述光路或所述第一光路和所述第二光路中的每一个可包含一个或两个光波导，用于将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检测器，以确保所述传感器是紧凑和坚固的。所述波导可设计成光子线。[0033]每一个共振器优选可以以环形共振器的形式，特别是以所称的微环共振器的形式而实现。所述环形共振器可通过瞬逝场耦合至各自的一个或多个波导。它们是特别适合的，因为它们对在表面累积的分子显示出极高的灵敏度。这意味着它们的光程非常敏感地取决于由活性层吸收的分子的量。但是，也可以使用其他类型的光学共振器代替环形共振器，例如法布里-拍罗共振器(Fabry_P6rot resonator)。
[0034]另外，所述传感器可以具有用于将待分析的流体传导至每个光路的共振器的活性层的通道。优选地选择所述至少一个光源或所述第一光源和所述第二光源为激光器，所述激光器由于它们的单色光是适宜的。
[0035]所述传感器可以包含信号处理单元，用于分析第一和第二光检测器的输出，或者在第二实施方案中，用于分析唯一的光检测器的输出。该信号处理单元可以包含在控制单元中。所述信号处理单元可以被配置为，用于在扫描间隔内确定光信号相对于波长的导数。为此，所述控制单元可以被配置为用于，对于所述第一光路和第二光路中的每一个或对于唯一光路而言，以调制信号来调制共振器相应的光程或相应的波长。在此情况下，为确定所述导数，所述信号处理单元可以包含锁定放大器，所述控制单元连接至该锁定放大器以将调制信号作为参考信号供入该锁定放大器中。由此所述导数作为锁定放大器的输出而得至IJ。当然，为了扫描所述第一波长和所述第二波长附近的间隔，是否调制光源或共振器的光程和是否改变光源或共振器是等效的。最实际的解决方案是调节用于扫描所述间隔的光源并调制相应共振器一例如进行电-光或热-光调制一用于确定所述导数。
[0036]希望确定相应光信号相对于波长的导数，以更容易地确定宽度的量度并由此确定对相应共振的展宽的量度。
[0037]在优选的实施方案中，所述传感器的信号处理单元被配置为用于，对于两个波长中的每一个或对于每一个共振器，确定对扫描间隔中所含的相应共振器的共振的宽度和/或展宽的量度。如果按上述确定所述导数，则所述信号处理单元可被配置为，用于通过确定共振时所述导数的两个极值之间的间距来确定所述导数，在此情况下，所述间距为所述宽度和/或展宽的量度。
[0038]为了获得更多的关于待检测流体中所含物质的信息，和为了实现更精确的结果，所述信号处理单元可进一步被配置为用于，对于共振器中的至少一个，确定扫描间隔所含的共振的位移。
[0039]可以使所述光路或每一个光路包含至少一个另外的光学共振器，所述光学共振器至少部分地覆盖有用于选择性吸收分子的另外的覆盖材料的活性层，所述另外的覆盖材料不同于上述覆盖材料或包含相同的物质但具有不同的浓度。根据如何选择该选择性吸收覆盖材料，这使得所述传感器能够用于同时检测不同物质的分子的存在或缺失和/或用于更精确的检测所寻找的特定物质的分子。在此情况下，必要的是，共振器一即它们的光程——可以进行调制，以便识别可归属于特定共振器的共振。
[0040]在具有第一光路和第二光路的实施方案中，可选地，传感器可包含至少一个另外的光路、用于产生另外波长的光的另外的光源和另外的光检测器，所述另外的光源光耦合至所述另外的光路以将所述另外波长的光供入所述另外的光路中，所述另外的光检测器光耦合至所述另外的光路以检测从所述另外的光路耦合出的光信号。在此情况下，所述至少一个另外的光路也可以包含光学共振器，所述光学共振器至少部分地覆盖有与所述第一光路和第二光路的共振器所用的相同的覆盖材料的活性层，所述另外的光路的共振器和/或所述另外的光源可以进行调节，以改变该共振器的光程和/或所述另外的波长，所述控制单元也可被配置为，用于改变该共振器的光程和/或所述另外的波长，从而扫描含有所述另外的光路的共振器的至少一个共振的间隔。由此，可进一步降低由活性层不具有足够选择性而引起的不确定性。
[0041]用于此处所述传感器的活性层的覆盖材料可为例如分子印迹聚合物。所述不确定性是由于不仅一种特定物质的分子而且与待检测物质具有例如某些共同结构的类似物质也可被这些活性层吸收，所述不确定性可通过所提出的方法和传感器而降低。
[0042]相应光学共振器的共振在所述共振器处累积的分子显示出更高吸收率的波长处被展宽。因此，关于吸收的分子对于至少两个不同波长的吸收行为的另外信息是通过文中所述的方法和传感器而获得的。该信息有助于减小上述不确定性，因为可被活性层吸收的物质组中的一些物质可被排除——如果该物质在所述第一波长或所述第二波长处具有高吸收率和如果在该特定波长处没有看到共振的展宽。
【专利附图】
【附图说明】
[0043]下文将参照图1-7说明本发明的示例性实施方案。
[0044]图1是第一实施方案中的光学传感器的示意性顶视图，该传感器包括具有若干环形共振器的两个或两个以上的光路，
[0045]图2为以示意方式展示三种不同物质的典型透射谱图，
[0046]图3为以示意方式展示含有图1光学传感器中所含的环形共振器的光路的透射谱图，
[0047]图4为以示意方式展示图1传感器的信号处理单元中所含若干锁定放大器之一的输出图，该输出在环形共振器之一的共振附近针对与波长相关的两种不同的情况被绘制，
[0048]图5为说明在用图1传感器实施的测量中得到的可能的不同的结果的表，
[0049]图6为第二个实施方案中光学传感器的示意性顶视图，
[0050]图7为仅略微不同于图6实施方案的另一个实施方案中光学传感器的不意性顶视图。
【具体实施方式】
[0051]图1展示了用于分析流体和检测流体中待分析的一种或几种特定物质的分子的光学传感器。该传感器的最重要的组件是在芯片I上以平面技术实现的，且形成集成光学电路。该集成光学电路具有第一光路以及第二光路，该第一光路包括光波导2、光学环形共振器3和另外的光学环形共振器4;该第二光路包括波导2'，光学环形共振器3'和另外的光学环形共振器4'。所有这些环形共振器3、3'、4和4'均为直径在10 μ m和200 μ m之间的微环，且象波导2和2'那样作为光子线实现。它们通过瞬逝场(evanescent field)被耦合到各自光路的波导2或2'。
[0052]第一光源5光I禹合至波导2以将第一波长λ ι的光供入所述第一光路。以相同的方式，第二光源5'耦合到波导2'，以将第二波长λ 2的光供入所述第二光路。两个光源5和5'均是可调的激光器，因此两个波长入1和λ 2均可在一定程度上改变。[0053]在两个光路的相对端,波导2光I禹合至第一光检测器6,以检测从第一光路I禹合出的光信号，同时波导2'光I禹合至第二光检测器6,以检测从第二光路f禹合出的光信号。在此情况下，光检测器6和6'在芯片I上以光电二极管的形式而实现。
[0054]共振器3和3'中的每一个均覆盖有覆盖材料的活性层，用于选择性吸收含有特定待检测物质的物质组的分子。用于共振器3和3'的覆盖材料是相同的，并且可以是例如MIP。类似地，另外的共振器4和4'均覆盖有另外的覆盖材料的活性层，用于选择性吸收含有相同或另外的待检测物质的另一物质组的分子，该覆盖材料对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'的覆盖材料。所述活性层通过阴影(shadings)而可视化。共振器3、3'、4和4'中的每一个的光程可借助电极7进行电-光或热-光调制。
[0055]如图1中虚线所示，所述传感器可以包括另外的光路、另外的光源以及另外的光检测器，所述另外的光路与第一光路和第二光路结构相同，所述另外的光源用于产生另外的波长λ 3的光并将所述另外的波长λ 3的光供入所述另外的光路，所述另外的光检测器用于检测从所述另外的光路耦合出的光信号。在此情况下，所述另外的光路也包括光学共振器和另外的光学共振器，它们中的每一个均覆盖有覆盖材料的活性层，所述覆盖材料分别与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'的覆盖材料相同。此外，所述另外的光源同所述第一光源5和第二光源5' —样是可以调节的，并且所述另外的光路的共振器和另外的共振器可以与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, 一起进行调制。
[0056]所述传感器包括控制单元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'。所述控制单元8被配置为，用于通过频率为的调制信号改变共振器3和3'的光程并通过不同频率f2的调制信号相应地调制所述另外的共振器4和4'。在可适用的场合，这同样适用于所述另外的光路的共振器和另外的共振器。此外，所述控制单元8被配置为，用于改变所述第一波长X1和第二波长λ2—从而扫描含有相应共振器3或3'的和相应另外的共振器4或4'的至少一个共振的间隔。在可适用的场合，所述控制单元8以相同方式配置为用于另外改变所述另外的波长λ 3，从而扫描所述另外的光路的共振器及另外的共振器中每一个的至少一个共振。
[0057]应该注意的是，每一个光路具有不同的波导，用于将共振器3或3'及4或4'分别光耦合至各自的光检测器6或6'。在此情况下，波导2和2'将仅用于将它们分别耦合到各自的光源5或5'。
[0058]在芯片I的顶部上，提供了一个微流体通道9用于将待分析的流体传导至不同的共振器3、3'、4和4'的活性层。
[0059]为了分析第一光检测器6和第二光检测器6'的输出以及一在可适用的场合——另外的光检测器的输出，所述传感器包含信号处理单元10，所述信号处理单元10具有锁定放大器11和评价单元12。所述信号处理单元10被配置为，用于对每一个共振器3、3'、4和4'确定对通过调节光源5和5'而扫描到的各自波长间隔所含的相应共振器3、3'、3或4'的共振的展宽的量度。为此，所述信号处理单元10被配置为，用于确定在每一个扫描间隔内，各光信号相对于波长的导数。这借助各自的锁定放大器11而进行，所述控制单元8被连接至锁定放大器11，以将调制信号之一作为参考信号而供入该锁定放大器。如果带研究的是共振器3和3'的共振，则使用频率的调制信号作为参考信号，而研究另外的共振器4和4'的共振，选择频率&用作参考信号。根据选择的参考信号是具有频率f:还是具有频率f2，各锁定放大器11从各自光信号过滤掉共振器3或3,或者另外的共振器4或4'的贡献。各锁定放大器11的输出对应于对光信号的该贡献相对于波长的导数。
[0060]在相应共振器3、3'、4'或4'的每个共振处，该导数的绝对值显示的是两个最大值。评价单元12被配置为，用于确定这两个最大值之间的间距，该间距是这一共振的展宽的量度。此外，所述评价单元12被配置为，对于每个共振器3、3'、4和4'，确定扫描间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'对由通道9传导的流体的分析。以同样的方式，使用另外的共振器4和4'对该流体进行另外的分析，以得到另外的或更精确的关于该流体中所含物质种类的信息。
[0062]图2展示了一个实例中第一物质的透射谱1、第二物质II的透射谱II和第三物质的透射谱III。我们假设这三种物质形成被共振器3和3'的活性层优先吸收的上述物质组。考虑一种典型的情形，所述第一物质在两个波长入1和入2处显示出高吸收，而所述第二物质仅在第一波长λ 显示出高吸收，所述第三物质仅在第二波长λ2处显示出高吸收。这两个波长入1和λ2之间的差值可以是约300nm，而环形共振器3、3'、4和4'的相邻共振之间的间距小了约两个数量级并具有约2nm的值。图3展示了光路之一的透射谱。各共振器3或3'的一些共振一为简便起见，忽略相应的另外共振器4或4'的贡献一可在该图示中清楚地看到。选择并调节光源5和5'以分别产生吸收波长X1或λ2的光并稍微改变相应的波长从而扫描含有相应共振器3或3'的一个共振的小间隔。
[0063]图4展示了在扫描波长间隔内锁定放大器11的输出。在此情况下，我们假设所选择的参考信号具有用于调制共振器3和3'的频率。如上所述，放大器11的输出分别对应于共振器3或3'对从各光路耦合出的光信号的贡献的波长导数。实线显示的是在各环形共振器的活性层处没有累积吸收相应波长λ i或λ 2的光的分子的情形下的输出。虚线显示的是在活性层处累积吸收相应波长λ λ 2的光的分子之后的相应信号。光吸收分子的累积产生位移及共振的展宽，图4所示输出的两个最大值之间的放大的间距Λ λ，—相比于在吸收分子累积之前的间距Λ λ—是该展宽的量度。所述评价单元12被配置为，用于检测位移和放大的间距Λ λ，，位移表明一定量的分子被活性层吸收；放大的间距Λ λ，表明这些分子对相应波长X1或λ 2的光具有吸收行为的程度。
[0064]通过将待分析的流体经由通道9传导，使该流体与共振器3、3'、4和4'接触，特别是与其上的活性层接触。如果所述流体包含上述三种物质中的任一种，则各物质的分子将被共振器3和3'的活性层吸收并累积在其上。由该累积单独引起的共振位移的测量显示出所述流体中含有所述物质组中的任何物质。但是其仍然无法回答的问题是，在我们的实施例中，所述流体中所含的物质是为第一物质、第二物质还是第三物质。但是，这一问题可使用对共振展宽的检测结果而进行回答。这在图5的表中进行了说明。该表表明，对于上文图2中提及的三种物质和对于两个波长λ i和λ 2，如果共振器3和:V已与相应的物质接触，在相应波长X1*入2处的共振是否将被展宽，在每种情况下，X表示展宽。如果仅可在X1下看到展宽，则可得出结论，所述流体含有所述第二物质。如果仅可在λ2下看到展宽，则所述流体含有所述第三物质。如果在波长X1和λ 2下均检测到展宽，则所述流体含有所述第一物质，或者既含有第二物质也含有第三物质。
[0065]为了检测不同共振的展宽，不仅在流体与共振器3、3'、4和4'接触之后实施同样的测量，而且在传感器与该流体接触之前另外地，或将待分析的流体从所述传感器中除去之后或使所述传感器与例如洁净的水或空气等参考流体接触之后再次地实施同样的测量。因此各展宽可定义为Δλ' -Δλ，其中Δλ为传感器不与待分析的流体接触时测得的相应共振的宽度，△ λ ;为使传感器与该流体接触之后测得的相同共振的宽度。
[0066]所述评价单元12被配置为，用于在确定在扫描间隔中所含的共振的位移和展宽之后通过模式识别(pattern recognition)方法实施所述分析。
[0067]图6和7展示了两个类似的光学传感器。对上面图1所示传感器中说明的特征，用相同的附图标记来标记。图6的传感器和图1的传感器之间的唯一区别是，图6的传感器只有一个光路。借助耦合器13，可将由两个光源5和5'产生的两个波长入1和λ2的光供入该光路的波导2中。在本实施方案中，控制单元8被配置为，用于控制所述两个光源5和5'以使第一波长λ i的光和第二波长λ 2的光被相继通过耦合器13而供入波导2中。因此，上述用于分析流体的方法可类似地用该传感器来实施。
[0068]图7所示实施方案的传感器唯一不同于图6所示实例之处在于，该传感器仅具有一个光源5，在这种情况下，所述光源5可在大至足够覆盖波长入1和λ 2的范围内进行调节，从而使得不需要第二光源来实施上述方法。当然，在图7的实施方案中，以及在图1和图6的实施方案中，信号处理单元10可以包含在控制单元8中或理解为其是控制单元8的一部分。
【权利要求】
1.一种通过光学传感器检测特定物质的分子的方法，该方法包括， -使所述传感器与待分析的流体接触， -将第一波长(X1)的光耦合至所述传感器的光学共振器(3)中，所述共振器(3)至少部分地覆盖有用于选择性吸收一组物质的覆盖材料的活性层，所述一组物质包括待检测的物质， -将第二波长(λ J的光稱合至所述传感器的同一共振器(3)中或第二光学共振器(3')中，所述第二共振器(3')至少部分地覆盖有同一覆盖材料的活性层， -对于所述第一波长和所述第二波长(X1, λ 2)中的每一个，检测从包含相应共振器(3,3')的光路I禹合出的光信号， -对于所述第一波长和所述第二波长(X1, λ 2)中的每一个，改变相应共振器(3，3')的光程或相应的波长(X1, λ 2)，从而扫描包含相应共振器(3,3')的至少一个共振的间隔， -对于所述第一波长和所述第二波长(X1, λ 2)中的每一个，通过所述共振器(3，3')的活性层处累积的分子，检测该共振的展宽，所述共振的展宽表明对进入相应共振器(3,3')的光的吸收。
2.权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括根据仅针对第一波长(X1)或仅针对第二波长(λ2)或针对这两个波长(λ” λ2)是否检测到超出一定阈值的展宽，识别所述流体是否含有明显浓度的待检测物质的分子。
3.权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述共振的展宽通过确定在所述间隔内光信号相对波长的导数并且通过 确定共振处该导数的两个极值之间的间距(Λ λ，Λ λ ')而进行检测，所述间距为所述展宽的量度。
4.权利要求3所述的方法，其特征在于，所述导数借助锁定放大器(11)按如下确定: -用调制信号调制所述共振器(3，3')的光程或所述波长UpX2), -将用于检测所述光信号的光检测器出，6')的输出供入所述锁定放大器(11)中，和 -使用所述调制信号作为所述锁定放大器(11)的参考信号。
5.权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，对所述第一波长和所述第二波长(λρ λ2)中的至少一个，除了展宽之外，还确定所述共振的位移，所述位移表明相应共振器(3，3')的光程的变化，所述变化是由该共振器(3，3')的活性层处累积的分子引起的。
6.一种用于检测特定物质的分子的光学传感器， 所述传感器包含第一光路、用于产生第一波长(X1)的光的第一光源(5)和第一光检测器(6)，所述第一光源(5)光耦合至所述第一光路以将所述第一波长(X1)的光供入所述第一光路，所述第一光检测器(6)光耦合至所述第一光路以检测从所述第一光路耦合出的光信号， 所述传感器还包含第二光路、用于产生第二波长(λ2)的光的第二光源(5')和第二光检测器出')，所述第二光源(5')光耦合至所述第二光路以将所述第二波长(λ 2)的光供入所述第二光路中，所述第二光检测器)光耦合至所述第二光路以检测从所述第二光路耦合出的光信号， 其中所述第一光路和所述第二光路中的每一个均含有光学共振器(3，3')，所述光学共振器(3，3')至少部分地覆盖有用于选择性吸收一组物质的覆盖材料的活性层，所述一组物质包括待检测的物质，所述覆盖材料对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， 并且其中两个光路的共振器(3，3')和/或所述第一光源及所述第二光源出，6')是可调节的，以改变所述共振器(3，3')的光程和/或所述第一波长及所述第二波长(入I，入2)， 所述传感器还包含控制单元(8)，用于控制所述光源(5,5,)和/或所述共振器(3，3')，所述控制单元(8)被配置为，用于改变所述共振器(3，3')的光程和/或所述第一波长及所述第二波长(X1, λ 2)，从而扫描包含相应共振器(3，3')的至少一个共振的间隔。
7.权利要求6所述的传感器，其特征在于，所述第一波长(X1)和所述第二波长(入2)之间的差比共振器(3，3')中每一个在相应波长(X1, λ 2)处的相邻共振之间的间距大至少一个数量级。
8.权利要求6或7所述的传感器，其特征在于，所述第一光路和所述第二光路中的每一个均包含一个或两个光波导(2，2')，用于将所述第一光路和所述第二光路的共振器(3，3,)耦合至相应的光源(5，5')和相应的光检测器出，6')。
9.权利要求6-8中任一项所述的传感器，其特征在于，所述共振器(3，3')为环形共振器。
10.权利要求6-9中任 一项所述的传感器，其特征在于，其含有信号处理单元(10)，用于分析所述第一光检测器和第二光检测器出，6')的输出，所述信号处理单元(10)被配置为用于，对于每一个共振器(3，3')，确定对所述间隔中所含的相应共振器(3，3')的共振的宽度和/或展宽的量度。
11.权利要求10所述的传感器，其特征在于，所述信号处理单元(10)被配置为，用于确定在所述间隔内光信号相对于波长的导数，并确定共振处所述导数的两个极值之间的间距，所述间距为所述宽度和/或展宽的量度。
12.权利要求11所述的传感器，其特征在于，所述控制单元(8)被配置为用于，对于所述第一光路和所述第二光路中的每一个，以调制信号来调制相应共振器(3，3')的光程或相应的波长(X1, λ 2)，并且其特征在于，为确定所述导数，所述信号处理单元(10)包含锁定放大器(11)，所述控制单元(8)连接至该锁定放大器(11)以将所述调制信号作为参考信号供入该锁定放大器(11)中。
13.权利要求10至12中任一项所述的传感器，其特征在于，所述信号处理单元(10)还被配置为用于，对于共振器(3，3')中的至少一个，确定所述间隔包含的共振的位移。
14.权利要求6至13中任一项所述的传感器，其特征在于，其包含至少一个另外的光路、用于产生另外的波长(λ3)的光的另外的光源和另外的光检测器，所述另外的光源光耦合至所述另外的光路以将所述另外的波长U3)的光供入所述另外的光路中，所述另外的光检测器光耦合至所述另外的光路以检测从所述另外的光路耦合出的光信号， 其中所述至少一个另外的光路包含光学共振器，所述光学共振器至少部分地覆盖有相同覆盖材料的活性层， 其中对所述另外的光路的共振器和/或所述另外的光源进行调节，以改变该共振器的光程和/或所述另外的波长(λ 3)，并且其中所述控制单元(8)还被配置为，用于改变该共振器的光程和/或所述另外的波长(λ 3)，从而扫描含有所述另外的光路的共振器的至少一个共振的间隔。
15.权利要求6至14中任一项所述的传感器，其特征在于，所述光路中的每一个均含有至少一个另外的光学共振器(4，4')，所述另外的光学共振器(4，4')至少部分地覆盖有用于选择性吸收分子的另外的覆盖材料的活性层，所述另外的覆盖材料不同于上述覆盖材料或具有不同的浓度。
16.一种用于检测特定物质的分子的光学传感器，所述传感器包含 光路、用于产生第一波长(X1)和第二波长(λ2)的光的至少一个光源(5，5')和光检测器出)，所述至少一个光源(5，5')光耦合至所述光路以将所述第一波长(X1)和所述第二波长(λ2)的光耦合至该同一光路中，所述光检测器(6)光耦合至所述光路以检测从该光路中耦合出的光信号， 其中所述光路含有光学共振器(3)，该光学共振器(3)至少部分地覆盖有用于选择性吸收一组物质的覆盖材料的活性层，所述一组物质包括待检测的物质， 其中对所述共振器(3)和/或所述至少一个光源(5,5,)进行调节，以改变所述共振器⑶的光程和/或所述第一波长和所述第二波长UpX2), 所述传感器还含有控制单元(8)，所述控制单元(8)被配置为， -用于控制所述至少一个光源(5,5,)，使得所述第一波长(X1)的光及所述第二波长(λ 2)的光被相继供入所述光路中， -用于改变所述共振器(3)的光程和/或所述第一波长和所述第二波长(X1, λ2)，使得对于所述第一波长和所述第二波长(λ” λ2)中的每一个，扫描含有所述共振器(3)的至少一个共振的间隔， -和用于对于所述第一波长和所述第二波长(λ” λ2)中的每一个，检测该共振的宽度和/或展宽。
【文档编号】G01N21/77GK103620391SQ201280018801
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2012年4月19日 优先权日:2011年4月21日
【发明者】赫尔穆特·海德里希, 彼得·吕措, 丹尼尔·佩尔甘德, 沃尔夫冈·沙德 申请人:弗兰霍菲尔运输应用研究公司