用于检测流体中分析物的多孔光纤的制作方法

本发明在一个方面涉及一种多孔光纤，该多孔光纤用于通过光学探测来检测流体中的分析物。在另一个方面，本发明涉及一种系统，该系统用于检测流体中的分析物，该系统包括多孔光纤。在一个具体方面，流体是体液，诸如全血。在另一个具体方面，多孔光纤和包括多孔光纤的系统用于检测溶血，具体是全血样品中的溶血。

背景技术：

在包含连续和不连续级分的复杂流体中检测分析物是一个具有挑战性但经常遇到的测量问题。通常，测量涉及样品制备步骤，包括例如通过过滤、沉淀和/或离心进行分离，以及使用对所关注分析物敏感的化学指示反应和/或物理相互作用进行后续检测测量步骤。这种背景下的一个复杂挑战通常是，特别是如果可用样品的体积较小，并且如果待分析流体非常复杂，要在不影响测量的情况下制备和呈现用于检测的适当样品。除此之外，在这种情况下，经常会在同一样品上确定多个参数，这对将用于检测分析物的给定测量与其他参数的测量进行集成施加了额外约束。

因此，需要一种允许选择性检测复杂流体中的分析物的高度敏感但简单快速的技术，该技术还适于与用于测定同一样品的多个参数的其他测量技术容易集成。此外，还需要所需的技术能够温和地分离、提取和/或分离分析物以进行检测测量，即不影响待分析的流体的剩余级分。

此类检测技术涉及各种行业，从食品行业到废水处理，再到制药应用和医疗设备，在这些行业中，已知的技术通常需要较大样品体积和耗时的分析程序。

应用这种测量技术的一个示例涉及检测患者血样中的分析物。该分析物可以是能够通过光来检测的血液分析(例如分光光度法)所用的实验室测试参数。作为一种干扰源，溶血可能会影响在血液参数分析仪中确定的多个血液参数的测量结果。忽视血液样品中的游离血红蛋白的水平可因此误导未意识到的人，故而基于受影响的血液参数值提供错误诊断。然而，可靠地确定存在于全血样品的血浆级分中的游离血红蛋白水平迄今为止涉及一个复杂的过程，该过程需要将血浆级分与细胞组分分离以及随后分析经分离的血浆级分。此类程序是耗时的，并且在有时仅极少样品可用的情况下，诸如在连续监测婴儿血液参数的新生儿护理中，此类程序是不容许的。用于测量存在于全血的血浆级分中的组分的其他方法涉及在通过例如微流体装置中的微滤技术将血浆级分与细胞组分分离之后，在微流体装置的专用测量中分析血浆级分。例如，由archibong等人发表于sensingandbio-sensingresearch，2015年第3卷，第1-6页中的最新科学论文公开了一种用于对已从全血样品中分离的血浆级分进行光学分析的微型测量室。在这种类型的装置中，微型微流体室附接到光纤的接口。微流体室的底部由多孔膜组成，该多孔膜允许流体和化学化合物在装置内流动，与此同时滤除非期望的粒子。可在垂直入射的反射几何结构中通过单根光纤对接收滤液的微流体室的内部进行光学探测。

在另一个示例中，即在食品行业中的应用中，诸如在乳制品行业中，大多数传统的过滤和检测方法包括使用滤纸、筛子等来对残留物进行目视检查、光谱分析或细菌计数，这些方法具有上述缺点，即需要相对较大的样品体积并且涉及耗时的测量程序(这对样品不利)，而且与要在同一样品上执行的集成多参数测量不相容。在环境技术领域诸如废水分析和处理中也遇到了类似的挑战，在这些领域中，大多数传统的过滤和检测方法包括使用滤纸、筛子等来对残留物进行光谱分析和细菌计数。

然而，此类基于过滤的方法在用于分析例如全血样品时具有若干缺点。过滤装置固有地依赖于至少滤液穿过过滤器的孔从样品进料到达滤液分析/测量室的流体流。在通流几何结构中，渗余物(此处为红细胞)逐渐堵塞过滤孔。在错流几何结构中，渗余物沿着过滤膜的表面引导，从而减轻但无法消除堵塞问题，尤其是在系统旨在重复使用的情况下(超过10-100个样品)。错流几何结构也会引起渗余物与过滤装置表面之间的摩擦和剪切相互作用。所公开的装置最适合作为一次性用品，而不适合持续重复使用，这是由于测量之后样品的完全洗出可能较困难或至少非常耗时且不可靠，还存在后续样品之间交叉污染的风险。在该特定类型的装置中，可带来由光学探测得出定量结果的附加挑战，原因在于过滤膜出现压力引起的变形，导致用于探测滤液的光学路径发生改变。

因此，需要一种用于以快速可靠的响应来检测流体中的分析物并且有利于容易集成的改进装置和方法。更一般地，需要一种用于以快速可靠的响应来检测复杂流体诸如全血样品的级分中的物质的改进装置和方法，该改进装置和方法适于在流体分析仪系统、特别是用于在同一流体样品上进行多参数测量的分析仪系统中集成。

本发明的目的是提供一种克服用于特异性检测复杂流体的连续级分中的分析物(诸如用于检测全血样品的血浆级分中的分析物)的已知装置、传感器、系统和/或方法的至少一些缺点的改进检测。

技术实现要素：

本发明的目的通过如所附权利要求书中定义的多孔纤维和传感器系统以及通过下文进一步详细描述的它们的实施方案来实现。

本发明的第一方面涉及多孔光纤，该多孔光纤用于通过光学探测来检测流体中的分析物；该光纤具有如在纵向方向上可见的第一端部和与第一端部相对的第二端部，以及在垂直于纵向方向的径向方向上界定光纤的周向表面；该光纤包括：芯，该芯适于支持在纵向方向上传播的至少一个光学模式，该芯具有在径向方向上界定芯的周向界面；以及孔，该孔从周向表面处的开口穿过周向界面进入光纤的芯中，其中开口的横截面尺寸被设定成以便防止流体的粒状级分进入该孔，同时允许分析物进入该孔。

该多孔光纤的周向表面用于接触待分析的流体。在有源区域中，该光纤设置有小孔。每个小孔具有开口，小孔可通过该开口与具有开口的周向表面在表面上相邻的流体空间连通。因此，孔允许位于光纤的芯中的孔的深度和与光纤的周向表面在表面上相邻的流体空间之间的流体连通。孔从周向表面处的相应开口延伸到芯中。孔在光纤中与周向表面处的开口一体形成，与待分析的流体流体连通。除芯以外，该光纤还可包括围绕芯的一个或多个层，诸如适于将沿着光纤传播的光限制在芯中的覆盖层或反射器层。芯通过周向界面与此类外部层分隔。重要的是，孔从光纤的周向表面穿透外部层(如果有的话)，并且进一步向内穿过周向界面进入光纤的芯中。将孔穿透到芯中确定为孔从限定芯的径向边界的周向界面向内穿透到芯材料中的深度。

孔的开口的尺寸被设定成使得待分析流体的粒状级分保持在孔的外部，同时允许来自另一级分例如连续级分的分析物通过孔进入光纤的芯中，其中通过芯传播的光学模式可以与分析物相互作用并且因此通过光学探测来检测分析物。

该多孔光纤需要光源和检测器，该光源和检测器被布置成对孔的内容物进行光学探测，并且生成代表流体中的分析物含量的对应信号输出。通常将探测光场从光纤的一个端部例如第一端部注入芯中，并且通过检测器收集光学响应，该检测器被布置成接收响应于所注入的输入光的照明而从孔发射的输出光，如下文进一步详述。

孔形成小瓶/小杯，用于选择性地从流体的第一级分接收分析物，具体是通过扩散作用/扩散转运，但是有效地防止可粒状级分进入孔。将这些小瓶/小杯放置在芯中，即放置在沿着芯传播的光的路径中，以有效地使探测光与分析物相互作用。通过使用光纤，探测光容易耦合到敏感区域中并且被递送到该敏感区域，以对孔的内容物进行光学探测。此外，孔可分布在光纤的期望长度上，以便在芯中的探测光和由孔形成的小瓶/小杯中的任何分析物之间累积光学相互作用，从而实现增强的信噪比。

利用这种特定构型，可以实现从复杂流体中温和地提取少量但具有代表性的分析物级分，并且可以高度重叠的方式将其有效地暴露于探测场。这是以特别简单快速的方式实现的，因为孔横向于光纤布置，其中开口位于周向表面处，并且从开口到探测位置的距离相对较短，从而有利于样品特别快速地扩散交换。

孔的典型横截面尺寸在微米和亚微米范围内，低至约100nm。分析物进出孔的转运是通过扩散实现的。为了实现有效操作，用灌注流体填充孔，优选地在灌注步骤中例如在进行第一次检测测量之前将该灌注流体填充到孔中。灌注流体不可影响待分析流体。因此，灌注流体必须与待分析的流体相容。有利的是，灌注流体可以是冲洗流体，诸如水性缓冲溶液，其也可用于在填充、排空和重新填充程序期间冲洗样品室，以更换待分析流体的样品。冲洗流体也可以是参考流体或校准流体。

有利地根据一些实施方案，用液体填充孔。用已知液体灌注孔允许单独通过扩散将代表待分析流体中的相关组分的子样品提取到孔中。这使得分析物能够经由孔快速、高效且控制良好地交换到光学探测区域中并从光学探测区域中交换出来。有利地根据一些实施方案，液体是水性溶液。这特别适合检测水溶性分析物。另选地，可设想用非水性液体填充孔，这特别适合例如待分析流体也是非水性液体的情况。

该多孔光纤特别适合分析包含连续级分和不连续级分的复杂流体，特别是用于选择性地检测复杂流体的连续级分中的分析物。待分析流体可至少包含连续级分，该连续级分包含分析物。待分析流体还可包含不连续级分，即粒状级分。粒状级分可例如包括固体颗粒、碎屑和其他污染物、生物细胞(诸如红细胞)或微生物、液滴、气泡，以及它们的组合。

待分析的流体可以是全血样品、全血的血浆级分、脊髓流体、尿液、胸膜液、腹水、废水、任何种类注射液的预制备流体、具有可能通过光学探测诸如光谱分析检测的成分的流体，或者气体诸如空气、含二氧化碳的气体、含一氧化碳的气体。

分析物可以是可通过光学探测检测的任何物质，诸如可存在于待分析流体的连续相中的分子子集。例如，当分析全血样品时，分析物可以是特定的药物，并且测量可用于确定血浆相中的药物含量，例如以确定药物摄取并相应地调节药物的剂量。在分析全血样品的另一个示例中，分析物可以是用于确定溶血程度的胆红素。在分析全血样品的又一个示例中，分析物可以是二氧化碳。

术语“全血”是指由血浆和细胞组分构成的血液。血浆占体积的约50％-60％，并且细胞组分占体积的约40％-50％。这些细胞组分是红血球(红细胞)、白血球(白细胞)和凝血细胞(血小板)。优选地，术语“全血”是指人类受试者的全血，但也可指动物的全血。红血球占所有血细胞的总数的约90％-99％。在未变形状态下，它们的形状呈直径为约7μm且厚度为约2μm的双凹圆盘。红血球具有高度弹性，这允许红血球穿过非常窄的毛细血管，从而将红血球的直径减小到低至约1.5μm。红血球的一种核心组分是血红蛋白，该血红蛋白结合要运输到组织的氧气，然后释放氧气并结合要作为废物输送到肺的二氧化碳。血红蛋白引起红血球呈红色，并因此引起血液整体呈红色。白血球占所有血细胞的总数的少于约1％。白血球具有约6至约20μm的直径。白血球参与身体的免疫系统，例如抵御细菌或病毒入侵。凝血细胞是最小的血细胞，其长度为约2至约4μm并且厚度为约0.9至约1.3μm。凝血细胞是含有对凝血重要的酶和其他物质的细胞碎片。具体地讲，凝血细胞形成暂时的血小板栓，从而帮助封堵血管中的裂口。

术语“血浆”是指血液和淋巴液的液体部分，血浆占血液体积的约一半(例如，约50体积％-60体积％)。血浆不含细胞。血浆含有所有凝血因子、特别是纤维蛋白原，并且含有按体积计约90％-95％的水。血浆组分包括电解质、脂质代谢物质、例如传染病或肿瘤的标记物、酶、底物、蛋白质以及另外的分子组分。

术语“废水”是指对于洗涤、冲洗而言或在制造过程中已使用过的水，故含有废弃产物和/或粒子，因此不适用于饮用和食品制备。

术语“光学”和“光”及相关术语通常是指可见、红外和紫外光谱范围内的电磁辐射：术语“可见”通常是指波长在400nm-700nm范围内的电磁辐射；术语“红外”广义上指波长在700nm-1mm范围内的电磁辐射，“近红外”的典型子范围为约700nm-3μm，“中红外”的典型子范围为为3μm-50μm，“远红外”的典型子范围为为50μm-1mm；术语“紫外”或“uv”广义上指波长在10nm-400nm范围内的电磁辐射，“近紫外”的典型子范围为300nm-400nm，在“中紫外”的典型子范围为200nm-300nm，“远紫外”的典型子范围为122nm-200nm。技术人员将理解，对于给定光纤、特别是对于给定芯材料，所提及的光谱范围的有用性将取决于光谱范围和用于通过这些材料传播输入光和输出光的材料的相容性。

在操作中，多孔光纤的周向表面与待分析流体例如全血样品接触。光纤中的小孔通过周向表面中的开口与全血样品或流体连通。孔开口的尺寸被设定成选择性地提取全血样品的血浆相的子样品，即提取包含分析物的流体的子样品。红细胞不可穿过光纤的周向表面上的开口进入孔。大于该孔径的任何物质都不能进入孔，从而排除了例如流体中所包含的任何碎片。

子样品体积对应于孔的总内体积。在测量期间未发生任何滤液穿过含孔层的过滤和净质量转运，即既未进入任何公共滤液接收器，也未到达任何滤液出口。然后仅对孔中所含的子样品进行光学检测。将输入光限制在光纤的芯中将多孔光纤的有源区段中的光学探测区域与容纳全血样品或流体的流体空间光学分开。通过将探测区域与流体空间光学分开，可以有效抑制全血样品的完整红细胞或流体中的碎屑对探测信号的影响。因此该测量特定于流体中的分析物的含量。

可以以任何合适的方式将具有相关组分的代表性含量的该较少子样品转移到孔。基本上横向于光纤定向从而直接通向芯中的小孔允许借助于毛细力和/或扩散通过周向表面中的开口从待分析流体诸如全血样品中非常有效快速地提取用于光学探测的子样品。

在典型的操作模式中，光纤的周向表面与冲洗流体接触，然后使该周向表面与全血样品或待分析的流体接触。从而，利用预填充与全血样品或流体相容的液体，在流体是全血的情况下特别是利用预填充与血浆相相容的液体(诸如常用于血液分析仪中的冲洗、校准和/或质量控制目的的水性溶液)来“灌注”孔。用于例如全血分析仪系统中的洗出的典型冲洗液可用作此类液体。冲洗液是包含与人类血浆相对应的浓度的k⁺、na⁺、cl^-、ca²⁺、o2、ph、co2和hco3^-的水溶液。当随后使全血样品或流体与灌注有相容液体的周向表面接触时，借助于相关组分的扩散以非常有效且温和的方式将全血样品的血浆相中的组分或流体的代表性子样品提取并转移到预填充的孔中。具体地讲，孔中的流体与参考液体之间的分析物的含量的任何浓度梯度驱动扩散性转移，从而在孔中产生具有代表流体中的分析物浓度的分析物浓度的子样品。

在另一种操作模式中，还可设想使干传感器的周向表面与全血样品或流体样品直接接触。进一步优选地，在该操作模式中，孔的内表面是亲水性的，从而借助于毛细力在光纤的周向表面处将子样品从全血样品或流体样品中提取到孔中。当在该模式下操作多孔光纤时，可经由批量校准进行校准，因为期望同一批生产的多孔光纤具有相同的灵敏度(例如，当在相同流体上测量时，具有相同的光吸收)。另选地，光纤的孔可以含有吸收特性不同于分析物的校准染料。校准染料可用于对光学探测信号进行归一化/校准，同时可与待检测/测量的血浆样品中的物质(例如，胆红素)在光谱上区分开。由于校准染料将不存在于待分析的实际流体中，因此校准染料将在测量期间从传感器扩散出来，与此同时分析物扩散到传感器的孔中。通过在获取流体之前和之后对这些孔进行光学探测，可由校准基准与流体物质信号的比较来形成待检测的物质(例如，胆红素)的定量量度。

通过提供穿过光纤自身的芯的光学输入，可以方便地探测穿透芯的孔的内容物。由于将光学探测场限制在光纤的芯中，包括孔的光学探测区域与接触多孔光纤的周向表面的流体光学分开。因此仅选择性地对孔内的子样品进行光学探测。

响应于照明而从孔出射的光已与孔中的子样品相互作用，从而传送有关子样品的信息。随后可针对该信息分析出射光和/或代表出射光的信号，以便产生代表全血样品中或流体中的分析物含量的值。分析可包括对出射/所检测的光进行光谱分析，和/或信号/数据处理，例如以便将所获得的信号与校准/参考样品上获得的信号进行比较，以便进行噪声过滤，以便应用校正，以及以便去除伪影。

在用于测量全血样品中的溶血的特别有利的实施方案中，光学探测的是胆红素引起的血浆的着色，例如通过使用光谱分辨的吸光度测量，或通过在指示胆红素在液体子样品中的存在的光谱范围内(诸如在波长380nm-750nm的光谱范围内，诸如在波长400nm-520nm的光谱范围内，或在约455nm处)在预定带宽内测量光谱积分吸光度。

进一步根据光纤的一些实施方案，孔是开端孔。术语“开端”是指一直延续穿过光纤的孔。孔和与光纤的周向表面在表面上相邻的流体空间流体连通，即待分析流体的子样品被提取以便在孔内进行光学探测，并且在测量之后再次通过周向表面中的孔的同一或另一开口排出。

进一步根据光纤的一些实施方案，孔是死端孔。术语“死端”是指在光纤内终止的孔。死端孔不会一直延续穿过光纤，也不会一直延伸到光纤内部的任何公共储存器或接收器。孔仅和与光纤的周向表面在表面上相邻的流体空间流体连通，即待分析流体的子样品被提取以便在孔内进行光学探测，并且在测量之后再次通过周向表面中的同一开口排出。

进一步根据光纤的一些实施方案，孔在纵向方向上分布在长度为l的有源区段上。

进一步根据光纤的一些实施方案，孔分布在光纤的端面中。因此，有源区段是光纤的端面，而不在光纤的纵向方向上。

在形成孔的光纤区段中，光纤可被称为“有源的”或“敏感的”，因为这些孔负责将子样品提取并呈现在芯中以用于光学探测。长度l可以例如适于匹配将要集成在其中的样品室的几何约束，以便仅提供其中流体样品可以接触光纤的周向表面的有源区段。有源区段的长度l还可适于匹配例如用于接触待分析流体的最小表面和/或最大表面的要求。此外，对于有源区段的给定长度l，孔的密度可适于匹配呈现足够大的样品体积以便进行光学探测的要求。然而，光纤的有源区段中的孔的密度过大也可能不利于将输入光场适当/足够地限制在光纤的芯中。

有利地根据一些实施方案，孔“稀疏地”分布在有源长度上，即在不影响或破坏光限制特性的情况下，平衡为样品和输入光场之间的相互作用提供良好重叠的要求，从而沿光纤的纵向方向穿过整个敏感/有源区域传播刺激输入光场。

进一步根据光纤的一些实施方案，芯具有直径，其中孔进入芯的深度为芯的直径的至少5％、或至少10％、或至少20％、或至少40％。穿透深度增加使得与探测光场的重叠增加。在径向方向上即垂直于纵向方向测量直径和穿透深度。孔在径向向内的方向上即垂直于纵向方向并朝向芯的中心以从界定芯的周向界面测量的穿透深度d穿透。优选地，孔“深深地”穿透到芯材料中，以便在模式功率和用作分析物小瓶/小杯的孔体积之间提供显著的重叠。

进一步根据光纤的一些实施方案，孔的开口的横截面尺寸为约1μm或更小、约800nm或更小，优选地约500nm或更小，或甚至约400nm或更小。孔隙开口的横截面尺寸优选地适于平衡尺寸选择性(较小的孔开口直径)与子样品/分析物的快速交换(较大的孔开口直径)，具体取决于应用。例如，给定的值特别适合分析体液，诸如在血浆级分中具有分析物的全血。

进一步根据光纤的一些实施方案，孔的开口的横截面尺寸为至少200nm。孔隙开口的横截面尺寸优选地适于平衡尺寸选择性(较小的孔开口直径)与子样品/分析物的快速交换(较大的孔开口直径)，具体取决于应用。例如，所列举范围的值特别适合分析体液，例如在血浆级分中具有分析物的全血。

进一步根据光纤的一些实施方案，孔在沿孔的轴向方向上的长度小于100μm、小于50μm，并且优选地小于30μm。孔的长度优选地适于平衡提供增加的样品体积以与芯中的光学探测场相互作用(较长的孔长度)与样品/分析物的快速交换(较短的孔长度)的需求，具体取决于应用。给定的值特别适合分析体液，诸如在全血样品的血浆级分中具有分析物的全血。

进一步根据光纤的一些实施方案，孔在沿孔的轴向方向上的长度为至少1μm、至少2μm、至少5μm，并且优选地至少10μm。孔的长度优选地适于平衡提供增加的样品体积以与芯中的光学探测场相互作用(较长的孔长度)与样品/分析物的快速交换(较短的孔长度)的需求，具体取决于应用。给定的值特别适合分析体液，诸如在全血样品的血浆级分中具有分析物的全血。

进一步根据光纤的一些实施方案，孔是笔直的。笔直形的孔有利于有效地转运穿过孔的长度，从而实现快速的子样品/分析物交换。

进一步根据光纤的一些实施方案，孔是通过将光纤暴露于定向离子轰击然后进行化学蚀刻而形成的径迹蚀刻孔。径迹蚀刻特别适用于形成例如上述尺寸的笔直形且狭窄但深的孔。孔可以例如由单个定向离子轰击暴露产生的单向布置形成。另选地，孔可通过提供来自不同方向的多个定向离子轰击暴露以多向布置形成。相应地，可设想孔基本上垂直于周向表面延伸的径向布置。因此，孔布置可例如在执行蚀刻步骤之前通过一个或多个定向离子轰击暴露来产生/限定。

有利地根据光纤的一些实施方案，给定体积的含孔芯材料的孔隙度介于50体积％与5体积％之间，介于30体积％与10体积％之间，或为约15体积％。这些孔在光纤中(或在光纤的给定区域中)形成孔隙度，且具有其上分布有孔的开口的周向表面的对应表面积。可根据孔在光纤的芯中形成的空隙的体积(即，穿透到芯中的孔体积)来表征孔隙度，其中孔体积是指孔所穿透的光纤的芯的体积。此处，该体积被定义为其上分布有孔的周向界面区域之间的圆柱形壳体的体积，其厚度由孔穿透到芯中的最大深度确定，如在垂直于界定芯的周向界面的径向方向上可见。

除此之外，还可根据积分孔体积来表征孔隙度，该积分孔体积等于可用于光学探测的子样品体积。孔体积可方便地表示为等效孔体积深度δ，其是被称为其上分布有孔开口的对应周向表面的孔体积，也被称为有源区域。相应地，可以如下将光纤的孔隙度转换为等效孔体积深度δ。在给定有源区域a内具有开口的孔具有总孔体积v。然后将等效孔体积深度计算为总孔体积除以给定有源区域：δ＝v/a。

有利地根据光纤的一些实施方案，等效孔体积深度δ小于20μm，另选地小于10μm，或优选地为约5μm或更小，其中等效孔体积深度δ被定义为孔的总体积v除以在其上分布有孔的开口的周向表面的面积a。从而，获得具有代表性浓度的相关组分的较少子样品。需要较少子样品体积来促进快速子样品交换，从而减少传感器的响应时间以及采用传感器进行的测量的周期时间。还需要少量子样品体积，以便避免流体样品例如全血样品中的血浆级分的边界层在靠近光纤的周向表面处耗尽的效应。这种耗尽可以其他方式发生在少量静置样品中，在这些样品中，如果等效孔体积深度超过临界值，流体中的粒状物质例如红细胞可能会阻碍相关组分从流体样品的体积朝向光纤的周向表面处的边界层进行有效扩散交换。

优选地，等效孔体积深度δ为至少1μm，另选地至少2μm，或在3μm至5μm的范围内，其中等效孔体积深度如上所定义。需要较大子样品体积来实现更好的信噪水平，因为较大子样品体积有助于获得光学探测信息。

进一步根据一些实施方案，发现等效孔体积深度δ在1μm至20μm的范围内、优选地在2μm至10μm范围内或为约4μm至5μm，在一方面在少量静置流体样品诸如全血样品中减少响应时间、减少周期时间和/或避免耗尽效应和另一方面所要求或所需的信噪比之间实现了有效折中。

进一步根据光纤的一些实施方案，孔的内壁表面是亲水性的，例如涂覆有亲水性涂层。从而，实现了液体在干孔中的有效毛细驱动填充。此外，亲水性涂层可以防止某些疏水性物质诸如疏水性染料、血红蛋白和其他蛋白质沉积在孔内，否则将导致传感器的逐渐结垢，从而难以用水性溶液洗出。

光纤可包括例如聚乙二醇(peg)的亲水性涂层以增强到孔中的扩散。可根据多孔光纤的用途来选择亲水性涂层。在一些使用中，光纤的孔一旦使用永远不会变干，因此其仅需要在最开始就是亲水性的，以便进行有效灌注。对于多孔光纤的其他用途，涂层必须在多孔光纤的整个期望寿命期间永久保持其亲水性，以便允许光纤的孔变干并且在以后再次润湿多孔光纤以进一步使用时仍可使用。

进一步根据一些实施方案，光纤是聚合物光纤，诸如由聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚对苯二甲酸乙二酯(pet或pete)或pet的类似物(聚对苯二甲酸乙二酯聚酯(petp或pet-p))或者聚碳酸酯(pc)制得的光纤。这些材料适用于制备光纤。此外，这些材料的优点在于，它们非常适用于例如借助于径迹蚀刻来制造笔直形的窄而深的孔。

进一步根据光纤的一些实施方案，光纤是多模光纤，该多模光纤具有支持在纵向方向上传播的多个模式的芯。这允许传播和应用宽光谱范围的输入光来探测穿透芯的孔的内容物。此外，多模光纤通常具有较大直径的芯，因此可被配置成与典型芯直径低于10μm的单模光纤相比在机械上更稳定和坚固。这特别适用于其中减薄、部分移除或完全剥离多孔光纤的有源区段中的光纤的外部层，最终仅留下用于接触待分析流体的芯材料的构型。

进一步根据光纤的一些实施方案，芯具有在5μm和500μm、优选地在100μm和200μm之间的范围内的直径。芯直径在该范围内的多模光纤为在宽光谱范围内有效注入光学探测功率(其坚固以允许轻松将光纤剥离到芯材料)以及在芯材料中提供足够窄而深的孔提供了良好的候选。

进一步根据光纤的一些实施方案，芯的周向界面形成周向表面。这种“剥脱芯”构型提供了从孔的开口直接进入限制探测光的芯的通道，从而允许进行特别有效快速的样品交换。

进一步根据一些实施方案，光纤还包括周向表面上的反射涂层。因此，反射涂层被布置在芯材料和待分析流体之间，以便覆盖除开口之外的周向表面，从而提供进入孔的通道。反射层适于将到达反射层的光从光纤的内部反射出，从而防止探测光到达光纤的外部并在光纤的外部与流体相互作用。因此，与不具有反射层的多孔光纤构型相比，可进一步提高仅在孔内部进行光学探测的空间选择性。反射层可特别适合其中已经移除任何外部层，仅将剥离芯留在包括孔的有源区段中的多孔光纤。因此，特别是在有源区段中可实现将光学探测场进一步限制在芯中。

有利地根据一个实施方案，反射层由金属制成。可以相对具有成本效益又受控良好的方式施加具有足够反射率的此类金属涂层。

有利地根据一个实施方案，反射层由铂、钯或者包含作为主要组分的铂或钯的合金制成。这些材料在与例如通过吸光度探测检测某些物质(例如，游离血红蛋白)相关的电磁光谱的光谱范围(深紫色至蓝色)内表现出良好的反射率。此外，这些材料具有生物相容性，不会例如产生人工溶血。此外，这些材料通常在化学上是稳定的，特别是在生物流体诸如全血样品或任何前述体液的化学环境中。

另选地，根据一些实施方案，反射层可由银或铝制成。进一步有利地根据一些实施方案，反射层的面向样品体积的表面由附加钝化层包封，从而提高了装置的寿命，特别是在使用银或铝作为反射层的材料时。合适的钝化层可由例如sio2薄层制成，该薄层优选地被制成透明的并且必须足够薄以便不会阻塞孔的开口。这些材料还可提供相关光谱范围(红色)内的良好反射率，在环境中具有生物相容性和化学稳定性。

有利地根据一个实施方案，反射层的厚度介于10nm–100nm之间，具体取决于所使用的金属。这种层厚度允许通过蒸镀技术施加反射层，而不会堵塞光纤的周向表面处的孔的开口。同时，层厚度必须足以提供传播到样品体积的光的足够衰减，以便确保探测区域与容纳待分析流体例如全血样品的样品体积之间的增强的光学分离。优选地，在检测的光谱范围内，即在由其形成代表相关组分的信号的光谱范围内，透射光小于5％、小于1％或甚至小于0.1％。例如，对于测量全血样品的血浆级分中的胆红素，合适的光谱范围为380nm至700nm、380nm至450nm，或为约416nm。

进一步根据光纤的一些实施方案，芯的周向界面用于接触待分析流体。芯材料的周向界面可被配置为直接暴露于待分析流体。这种构型可能更容易产生，并且例如可适用于光学探测场的限制要求不那么严格的情况。此外，这种构型在使用偏轴检测布置时可能有用。

本发明的第二方面涉及一种传感器系统，该传感器系统用于通过光学探测来检测流体中的分析物，该传感器包括根据本文公开的实施方案中的任一个的多孔光纤；耦合到第一端部的光源，该光源用于将输入光注入到光纤中；以及检测器，该检测器被布置成接收响应于所注入的输入光的照射而从孔发射的输出光。

该传感器系统的优点在于容易与样品室集成，待分析流体的样品在该样品室中被制备并与多孔光纤的有源区段接触。该传感器系统还特别适用于在具有可重复使用的样品室的系统中集成，可以用样品装填该样品室，在样品排出后冲洗该样品室，并且准备该样品室用于新样品的分析，而与第一样品无关。由于容易与分析系统集成这一良好适应性，基于多孔光纤的传感器也特别适用于与多参数分析仪集成，以便对在同一样品上执行的多个可测量参数进行分析，特别是在一次仅使用少量样品体积的系统中。

光学探测光可由任何合适的光学探测装置来执行。可在一个端部处将输入光注入到光纤中，以便沿着限制在芯中的光纤的纵向方向传播，直到光遇容纳要通过光学探测针对一种或多种分析物进行分析的流体的代表性子样品为止。照明输入光与子样品相互作用，并且检测器收集响应于照明而从子样品发射的光。如前文所讨论的，通过将子样品呈现在深深地穿透到限制输入光的芯的孔中，实现了特别好的重叠，从而实现了光学探测场与待分析样品的相互作用。因此，通过具有多孔光纤的传感器系统可以实现光学分析物响应的良好灵敏度。光学布置可包括另外的光学元件，该光学元件改善探测光到光纤中的耦合并且改善从光纤出射的光到检测器输入中的耦合。

光源原则上可以是在孔中的分析物吸收光的区域中透射光或者以其他方式提供光学刺激响应以使系统工作的任何光源。当光源老化时，光源可能会改变特性，例如，发射更少的光或漂移可影响峰振幅。这可通过使用反馈校准过程来补偿，在该过程中，在预计多孔光纤中的孔较洁净(即，孔中不含吸收光的分子)的情况下，检测器测量穿过多孔光纤接收到的光。如果所接收到的光的振幅比预期的要小，则通往光源的反馈回路可控制使通往光源的电流或电压增加，以补偿光源的退化。另选地，如果光源已改变特性，则在测量时可根据与初始工厂校准相比所发射的光的该变化来调节实际吸收的计算。

有利地根据一个实施方案，检测器包括分光光度计，并且光学探测装置被配置用于对从光纤中的探测区域出射的光进行分光光度分析。这允许在从探测区域中的子样品出射的光中分辨一种或多种相关组分的光谱特征。检测器可以是能够检测给定光谱范围内的吸收的光电二极管或分光计。另选地，可使用阵列或二极管，其中每个二极管发射不同波长的光，并且光电二极管用作检测器。二极管可多路复用以在不同间隔中发光。然后通过将在该特定间隔中从二极管发出的光与光电二极管所检测的光进行比较，从而得出吸收。

多孔光纤可以用作读取装置以用于颜色产生/消耗测定。优点在于，不需要在测定之前执行分离步骤来制备血浆。以举例的方式，以下类型的测定可与基于多孔光纤的传感器系统一起使用：其中受体配体可以结合在膜通道内的三明治(sandwich)测定；一部分结合在孔中的测定，例如溴甲酚绿白蛋白测定，其使用溴甲酚绿来特异性地与白蛋白形成有色络合物。在620nm下测得的颜色的强度与流体中的白蛋白浓度成正比；例如天冬氨酸转氨酶(ast)活性测定试剂盒进行的酶活性测定，其中氨基从天冬氨酸转移到α-酮戊二酸导致生成谷氨酸，从而产生与所存在的ast酶活性成比例的比色(450nm)产物。

基于多孔光纤的传感器系统也可以用于非医疗应用，诸如用于啤酒酿造、废水分析、食品测试和染料生产的监测任务。在啤酒酿造中，需要精确的颜色。基于多孔光纤的传感器系统可以用于通过对液体进行测量并且将该读数与正确颜色的液体进行比较来确定啤酒是否具有所需的颜色。可分析废水中是否存在某成分。在食品(液体诸如牛奶、果汁和其他浆液)测试中，基于多孔光纤的传感器系统可以用于分析是否存在某种成分或分析物。其他化学反应器例如染料行业可能正在使用基于多孔光纤的传感器系统来为其液体获得所需的颜色、含量或其他化学特性。

有利地根据一些实施方案，基于多孔光纤的传感器系统或包括基于多孔光纤的传感器系统的血液分析系统还包括处理器，该处理器被配置用于将由检测器生成的信号与预定校准基准进行比较，以形成流体中的分析物水平的定量量度。

进一步有利地根据一些实施方案，在基于染料的校准溶液，诸如包含酒石黄染料的水性溶液上获得校准基准。优选地，基于染料的水性溶液由添加有校准染料诸如酒石黄的典型冲洗液制备。

根据本发明的另一个方面，一种用于分析流体的系统包括(a)样品室，该样品室具有用于送入和排出流体的入口端口和出口端口；(b)第一检测器，该第一检测器适于提供代表流体中的分析物水平的第一信号；有利地根据一些实施方案，该用于分析流体的系统还包括(c)一个或多个另外的检测器，每个另外的检测器适于提供代表流体的分析物的另外的信号；其中第一检测器和另外的检测器可操作以从同一流体获得第一信号和一个或多个另外的信号，其中第一检测器被配置为根据本文所公开的任何实施方案的用于对分析物进行光学检测的多孔光纤。

进一步根据传感器系统的一些实施方案，检测器在光纤的第二端部处以向前散射构型成一直线布置。这种构型适于从光纤的与注入输入光的第一端部相对的第二端部收集沿芯在向前方向上传播的光。

进一步根据传感器系统的一些实施方案，检测器在光纤的第一端部处以向后散射构型成一直线布置。

这种构型适于从光纤的第一端部收集沿芯在向后方向上传播的光，即从注入输入光的同一端部收集光探测响应。

进一步根据传感器系统的一些实施方案，检测器以向外散射构型偏轴布置。术语“偏轴”是指与光纤的纵向方向成有限角度的方向。这种构型适于收集由光纤散射出限制区的光，即从相对于被限制在光纤的芯中的输入光的传播偏轴的方向收集光学响应。

进一步根据一些实施方案，该传感器系统还包括用于接收待分析液体样品的样品室，该样品室包围多孔光纤的有源区段。

根据本发明的又一个方面，提供了一种对流体中的分析物诸如胆红素进行光学检测的方法，如下面所详述。该方法至少实现了与上文针对用于检测分析物的多孔光纤或包括这种多孔光纤的传感器系统的相应实施方案所讨论的相同优点。

根据一些实施方案，一种对流体中的分析物进行光学检测的方法包括以下步骤：提供如上所公开的多孔光纤；使多孔光纤与参考液体接触，以便用参考液体填充孔；使多孔光纤的周向表面与流体接触；等待一段扩散时间，以允许流体中的分析物扩散到孔中达到稳定；将输入光注入光纤的芯中；使输入光沿芯传播，以与多孔光纤的有源区段中的孔相互作用；收集响应于输入光而从孔发射的光，从而光学探测孔内的流体；并且基于光学探测的结果，确定流体的分析物水平。优选地，参考液体是与流体相容、特别是与可进入孔中的其级分相容的水溶液，诸如用于冲洗、校准和/或质量控制的液体。在一些实施方案中，可设想省略在引入流体之前使光纤的周向表面与参考液体接触的步骤。然而，包括该步骤允许纯粹扩散性的子样品提取，这是非常有效的并且引起令人惊讶的快速检测响应以及令人惊讶的短测量周期时间。最有利地，通过因所提取的子样品中存在代表性量的分析物而引起的颜色变化，在孔中对分析物进行光学检测。

有利地根据一些实施方案，光学探测包括对从孔中出射的光进行分光光度分析，作为对探测输入光的光学响应。

有利地根据一些实施方案，光学探测是测量吸光度。其优点是设置相对简单但有效。

有利地根据一些实施方案，该方法还包括将光学响应与预定校准基准进行比较的步骤。因此，可形成流体中的分析物水平的定量量度。

进一步有利地根据该方法的一些实施方案，在基于染料的校准溶液诸如包含酒石黄染料的水性溶液上获得校准基准。优选地，基于染料的水性溶液由添加有校准物染料诸如酒石黄的典型冲洗液制备。

附图说明

结合附图将更详细地描述本发明的优选实施方案，其在下图中示意性地示出：

图1根据第一实施方案的具有多孔区段的光纤；

图2根据第二实施方案的具有多孔区段的光纤；

图3至图6是根据不同实施方案的如沿光纤的纵向方向可见的多孔区段的端部投影；

图7是具有多孔光纤和处于两种不同检测构型的光学探测布置的传感器；

图8是具有多孔光纤和使用另一种检测构型的光学探测布置的传感器；

图9是根据一个实施方案在样品室中集成的多孔光纤；并且

图10是根据另一个实施方案在样品室中集成的多孔光纤。

具体实施方式

图1示出了光纤100，其具有如在光纤100的纵向方向上可见的第一端部101和与第一端部101相对的第二端部102。光纤100适于沿纵向方向通过其传播限制在芯104中的光。在中间位置，光纤100包括长度为l的有源区段110，在该有源区段中移除或减薄了光纤的外层，诸如覆盖层103，以显露周向表面111，孔112从该周向表面穿透到芯材料104中，从而允许存在于孔112内的任何物质与在芯104中传播的探测光相互作用并提供对应的光学探测响应。

图2示出了光纤200，其具有如在光纤200的纵向方向上可见的第一端部201和与第一端部201相对的第二端部202。光纤200适于沿纵向方向通过其传播限制在芯204中的光。光纤200还包括长度为l的有源区段210，在该有源区段中移除或减薄了光纤200的外层，诸如覆盖层203，以显露周向表面211，孔212从该周向表面穿透到芯材料204中，从而允许存在于孔212内的任何物质与在芯204中传播的探测光相互作用并提供对应的光学探测响应。与图1所示的实施方案相比，光纤200的有源区段210位于端部位置，即位于第二端部202。

参见图3至图6，现在示意性地示出了多孔光纤的有源区段中的孔布置的不同构型。图3至图6示出了如沿光纤的纵向方向可见的光纤诸如图1和图2所示的光纤的有源区段的端部投影。投影视图重叠地示出了来自不同纵向位置的孔，即图中所示的不同孔通常不位于同一横截面平面中。相反，这些孔通常分布在有源区段的某个纵向部分上(即在图3至图6的投影视图中的某个深度上)。这些孔优选是笔直形的，并且可例如通过如上所述的径迹蚀刻形成。

具体地讲，图3示出了光纤300的有源区段310的端部投影视图，其中已经剥掉了外层，仅留下芯材料304。有源区段310的周向表面311由在垂直于纵向方向的径向方向上界定芯304的周向界面313形成并且与该周向界面重合。孔312从周向表面311处的相应开口314径向向内突出至穿透深度，其等于孔的长度，从每一侧为芯304的直径的约30％。虽然孔312被示出为在周向方向上等距地隔开和分布，但应当指出的是，这些孔可等效地以随机间隔分布。

图4示出了光纤400的有源区段410的端部投影视图，其中孔412的径向布置对应于图3所示实施方案的径向布置。然而，图4的实施方案与图3的实施方案的不同之处在于，覆盖层403保留在芯404周围。外部覆盖层403具有周向表面411并且通过周向界面413与芯404分开。孔412从周向表面处的开口414延伸穿过覆盖层403，并且穿过周向界面413深深地穿透到芯404中。虽然覆盖层403可暂时携带限制在芯404中并沿其传播的光场的一些功率，但是在如此处在图4中所示的保留外层围绕芯404的构型中，孔412重要地穿透到芯404中，以便为对孔412的内容物进行光学探测提供显著的空间重叠。

图5再次示出了光纤500的有源区段510的端部投影视图，其中已经剥掉了外层，仅留下芯材料504。有源区段510的周向表面511由在垂直于纵向方向的径向方向上界定芯504的周向界面513形成并且与该周向界面重合。孔512从周向表面处的开口514延伸到芯504中。与图3和图4的实施方案相比，多孔光纤500的孔512是笔直形的并且被布置成基本上彼此平行，从而从两个相反的方向穿透进入芯504的材料中。使用径迹蚀刻工艺可方便地获得这种构型，方法是将光纤500的剥离区段510从横向于纵向方向的两个不同方向(此处为两个相反的方向)暴露于单向离子轰击，随后应用适于在光纤的材料中沿离子轰击的径迹选择性地移除材料的蚀刻步骤。

图6还示出光纤600的有源区段610的端部投影视图，其中已经剥掉了外层，仅留下芯材料604。有源区段610的周向表面611由在垂直于纵向方向的径向方向上界定芯604的周向界面613形成并且与该周向界面重合。孔612从周向表面处的开口614延伸到芯604中。图6的实施方案中的孔612的布置对应于图5的实施方案中的孔512的布置，不同之处在于这些孔不仅从两个相反的方向形成，而且从彼此约90度的四个不同横向方向形成。事实上，可设想不同方向和角度的任何组合，以便获得与图5和图6的布置相似的期望孔布置。

现在转到图7至图10，以举例的方式简要说明了不同的传感器系统，其中图7和图8示意性地示出了不同的光学探测构型，并且其中图9和图10示出了用于将多孔光纤与样品室集成的不同布置。

图7示出了如上文在图1中所示的光纤100。光纤100具有位于第一端部101和第二端部102之间的中间纵向位置处的有源区段110。光源s耦合到光纤100的第一端部101以注入输入探测光120，该输入探测光沿着光纤的芯传播到具有孔112的有源区段110，这些孔容纳待探测流体的子样品。输入探测照明120引起携带关于孔的内容物的信息的光学响应，可借助于在第二端部102处以向前散射布置与光纤成一直线布置的检测器d1将该光学响应收集为向前探测响应121。另选地或除此之外，可借助于相对于光纤100的纵向方向以向外散射布置偏轴布置的检测器d2收集偏轴探测响应122。

图8示出了如上文在图2中所示的光纤200。光纤200具有在与第一端部201相对的第二端部202处的端部位置处的有源区段210。光源s耦合到光纤200的第一端部201以注入输入探测光220，该输入探测光沿着光纤的芯传播到具有孔212的有源区段210，这些孔容纳待探测流体的子样品。输入探测照明220引起携带关于孔的内容物的信息的光学响应。可借助于在第一端部201处以向后散射布置与光纤200成一直线布置的检测器d3将该光学响应收集为向后探测响应221。应当指出的是，可根据所需的光学探测设计来组合用于光学探测的不同散射构型。例如，这里讨论的向后散射构型与如上文在图1和图7中所示的光纤100结合时可能同样有用。

图9示出了具有上述讨论的多孔光纤100的传感器系统在样品室109中的集成，以使有源区段110与流体样品99接触，其中为了清楚起见，已经省略了相关的光学探测布置。样品室109可以是“进料、填充和排空”类型，其中通过入口进料流体样品99以用待分析的流体99填充样品室，并且其中在已经完成测量之后，通过出口排空(并冲洗)样品室以准备样品室以供重新使用。另选地，样品室可以是流过类型，其中流体样品99连续地流过样品室109(例如，如图9所示形成为通道)，从而将光纤100的有源区段110暴露于待分析流体99。在任一种情况下，有源区段110的周向表面111都与流体样品99接触，由此将子样品提取到孔112中并呈现用于在光纤100的芯104中进行光学探测。

同样，图10示出了具有上述讨论的多孔光纤200的传感器系统在样品室209中的集成，以使有源区段210与流体样品99接触，其中为了清楚起见，已经省略了相关的光学探测布置。样品室209可以是“进料、填充和排空”类型，其中通过入口进料流体样品99以用待分析流体99填充样品室，并且其中在已经完成测量之后，通过出口排空(并冲洗)样品室以准备样品室以供重新使用。另选地，样品室可以是流过类型，其中流体样品99连续地流过样品室209(例如，如图10所示形成为通道)，从而将光纤200的有源区段210暴露于待分析的流体99。在任一种情况下，有源区段210的周向表面211都与流体样品99接触，由此将子样品提取到孔212中并呈现用于在光纤200的芯204中进行光学探测。

本发明不限于上述实施方案，并且技术人员可在不脱离本发明范围的情况下组合所示实施方案的不同特征。例如，可将任选的反射涂层诸如金属涂层施加到多孔光纤的有源区段的周向表面上，诸如图5中的附图标号515所示。