专利名称：用于例如微传感器的光学微阵列的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学微阵列的制造，该光学微阵列包括一种用于例如 微传感器的、高品质的聚合物(塑料)窗口阵列。
背景技术：
在临床微生物分析、环境、健康与安全、食品/饮料以及化学处理应用 中，用于例如多分析物传感器的聚合物光学微阵列必须是高度透明的，并 且光学分析信号的相互串扰最小。传统的试图生产单件窗口阵列的聚合物 处理技术直到现在也未成功，这是由于其不能产生足够高透明度的窗口 (低 光学信号衰减)和/或这些窗口之间足够低的信号串扰水平。
使用两种材料即用于传送光信号的光学透明微结构以及用于机械支承 件和光信号隔离(防止串扰)的光学不透明框架材料产生与这种阵列的制 造特别是装配有关的问题。在框架内光学微结构(透镜、窗口)的定位和 固定对过程和材料具有较高的要求(位置精度、光学结构的破坏、收縮差 异)，同时需要特别关注微结构和框架的相互结合。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于制造聚合物本体的方法，该聚合物本体 包括一个或多个透明的第一区域，以及一个或多个不透明的第二区域。
根据本发明的一个方面，提供一种与化学传感器结合使用的光学微阵 列，包括聚合物本体，该聚合物本体包括一个或多个透明的第一区域，该
透明区域被不透明的第二区域分割；其中该微阵列由单体组成；该透明区 域由非结晶聚合物形成，而该不透明区域由结晶聚合物形成。
可以在这样的理解即聚合物的形态可以包括非晶形的(非结晶的、透 明的)区域和/或结晶(不透明)区域的基础上，制造微阵列。通过聚合物 的热过程特别是通过冷却速度确定所谓的半结晶聚合物的结晶度。通常可
以说，快速冷却将抑制晶体的形成，从而造成多个非晶形聚合物，而慢慢 冷却则会导致晶体的形成和生长。
根据另一个方面，根据本发明的方法包括下面的步骤-
a. 通过应用本身已知的任何方法生产半成品本体，该半成品本体包括 所述第一和第二区域，然而所述第一和第二区域在该半成品阶段中或者两 者都是透明的或者两者都是不透明的；
b. 当该半成品本体的第一和第二区域是透明的时，将所述第二区域中 的聚合物加热至聚合物熔化温度之上，随后慢慢地冷却，以便实现该第二 区域中的聚合物的实质上的结晶；
c. 当该半成品本体的第一和第二区域是不透明的时，将所述第一区域 中的聚合物加热至聚合物熔化温度之上，随后快速地冷却，以便防止该第 一区域中的聚合物的实质上的结晶；
d. 在进一步附加步骤中，该透明区域可提供有光学活性的材料；以便 在暴露于待测试的化学物质之前、期间或之后光学读出；从而该聚合物窗 口可以在(微)传感器中用于测试目的。优选地，该传感器为多个分析物 类型。
优选从完全不透明的半成品本体开始(选择c)，因为冷却时间必须足 够短，以便防止第一区域中的聚合物的实质上的结晶，因此，该冷却时间 将比从完全透明的半成品本体开始(选择b)的时间更短，其中冷却时间相 当长，即对第二区域中的结晶过程来说足够长，以便在那里实现不透明形 态。
另一方面，优选从完全透明的半成品本体开始(选择b)，因为最初可 以将焦点放在半成品本体开始材料的光学透明度上，因而忽略在最终制造 阶段中解决的可能的信号串扰问题，即通过(再)加热和结晶第二区域， 从而用作串扰防止挡板。
通过例如已知的过程像注射成型，例如借助压花或通过巻绕 (roll-to-roll)过程等温压薄片或膜等制造半成品聚合物本体。当从完 全透明的半成品本体开始时，在第二生产步骤中，例如在光学透明的(微) 窗口周围实现光学不透明的、抗串扰的挡板。当从完全不透明的半成品本 体开始时，在第二生产步骤中，可以在不透明环境内制造例如光学透明的
(微)窗口。在任一情况下，局部地熔融半成品本体的聚合物，并且然后 以可控的方式冷却，或者快速地，以防止(再)结晶，或者慢慢地，以实 现有意的(再)结晶。
可以在用于制造半成品本体的模具的内部或外部执行半成品本体的局 部加热。可以应用电、流体、激光加热，微波以及超声加热，以便将非晶 形的聚合物结构变成半结晶或相反。在没有对聚合物加添加物的情况下，
可以使用C02激光器，或者通过添加NIR吸收添加物使用二极管激光器。
将聚合物变成主要是非晶形的冷却速度为每秒钟几十摄氏度的数级。 然而，当冷却速度约为每秒钟百分之几摄氏度时，达到实质上的结晶状态。
图la和lb表示半成品本体的两个示范性实施方式，其用作在随后的 步骤中制造的用于微窗口阵列的初始结构。
图2表示根据上述方法制造的聚合物本体的例子，其从如图la所示的 完全透明的半成品本体开始。
图3表示根据上述方法制造的聚合体的例子，其从如图lb所示的完全
不透明的半成品本体开始。
图4示意性地表示包括根据本发明一个方面的光学微阵列的化学传感器。
具体实施例方式
图la表示在半成品形式中(例如通过注射成型制造)，完全透明(着 黑色)的聚合体l，其包括几个第一区域2和几个第二区域3。第一区域2 和第二区域3两者都是透明的，如同完整本体l。
图lb表示在半成品形式中(例如通过注射成型制造)，完全不透明(着 白色)的聚合物本体l，其包括几个第一区域2和几个第二区域3。第一区 域2和第二区域3两者都是不透明的，如同完整本体l。
区域2的典型尺寸是2x2 mm，因此例如在典型地30x30 mm的本体1上， 矩阵区域可以有约100个透明区域2。优选地，在本体1的这些透明区域2 上，例如，通过分配技术如基于粘合剂应用或油墨印刷技术使用化学选择
涂层。这种涂层可以与气态或液态介质中要分析的物质反应，改变窗口阵 列的透明区域的透射性质(波长、吸收)，从而能够检测该物质。例如，对 于检测二氧化碳、氨、甲醇、乙醇、燃料等级以及其它气态和液态物质来 说，可以选择性地应用涂层。
因此，如进一步参照图4阐明的，光学微阵列可以形成光学微传感器 系统的一部分。图2和3两者表示相同聚合物本体1的顶视图和截面图， 其中第一区域2是透明的，而第二区域3是不透明的。区域2可以用作透 明的(微)窗口或光闸，而区域3用作不透明挡板，围绕窗口区域l，因而 阻止了单独窗口 2之间的光学串扰。聚合物本体l由图la所示的完全透明 的半成品本体1或者图lb所示的完全不透明的半成品本体1制成。
当处于其半成品形式的本体1 (包括区域2和3)是完全透明的(参见 图la)时，为了得到其所需的最终形式，如图2所示，将区域3中(即围 绕每个单独的窗口区域2的肋部中)的聚合物材料局部地(再)加热至聚 合物的熔化温度之上，随后足够慢地一每秒钟百分之几摄氏度的数级—冷 却，以便实现(仅)区域3中的熔融聚合物由于长冷却时间而结晶，从而 导致肋3的不透明(图中的白色)，同时不重新加热本体的剩余部分包括窗 口2，从而保持该半成品的原始透明度(图中的黑色)。
当处于其半成品形式的本体l (包括区域2和3)是完全不透明的(参 见图lb)时，为了得到其所需的最终形式，如图3所示，将区域2中的聚 合物局部地(再)加热至聚合物的熔化温度之上，随后足够快地一每秒钟 几十摄氏度的数级一冷却，以便防止(仅)区域2中的熔融聚合物(再) 结晶，即由于缺少结晶时间造成的，从而导致窗口 2的透明度(图中的黑 色)，同时本体的剩余部分包括肋3不重新加热，从而保持本体1的半成品 形式的原始不透明度(图中的白色)。
当半成品本体仍然保持在模中时，或者在从注模取出半成品本体之后 半成品本体在另外的设备中时，例如可以通过激光加热分别加热区域2或3。
应当注意到，在两种情况下-即或者从透明或者从不透明半成品本体1 开始的情况下-处于半成品形式的聚合物本体l可以由(预制造的)箔制成 或甚至是(预制造的)箔的一部分-例如储存在巻筒上-而不是通过注射成 形制成。当由箔制成时，区域3 (在图中稍微突出)优选最小地突出或者完
全不突出。
在处于半成品形式的聚合物本体1由例如在存储线圈缠绕的预制造的 箔制成或者是预制造的箔的一部分的情况下，借助一些形式的"压花"或 "巻绕"处理都可以执行这两种过程步骤。在这种(更连续的)处理环境
中，可以以(半)连续过程的形式分别执行区域2或3的加热，例如，在 半成品(箔)本体的卸载期间，(半)连续箔流的一部分或者从其存储线圈 (巻轴)流到另外的存储线圈或者流到另外的处理或存储模块。
图4示意性地表示包括根据本发明一个方面的光学微阵列1的光学微 传感器系统4。这种系统4包括例如排列在微阵列一侧上的光源5，例如是 底部发光二极管阵列，特别是聚合物发光二极管。发光二极管可以是相同 的，或者可以发射特定的、不同波长的光。在透射模式下，在微阵列1的 另一侧上，可以提供光电二极管9 (优选聚合物光电二极管)的顶部阵列 6。因此，从底部阵列5发射的光被透射到提供有光化学活性材料7的微阵 列1上，光化学活性材料7可以与流动物8的一个或多个有关的化学物质 反应。可以在阵列的局部或整个阵列上提供流动物8。此外，可以随后或同 时将多个物质提供到微阵列1。流动物8可以是气态或液态的，并且改变微 阵列1的透明区域2的透射性质(波长、吸收)，从而能够检测该物质。将 底部阵列5和顶部阵列6连接到处理单元10，其包括模拟/数字转换电路， 以及用于驱动光源5禾B/或光电二极管9的阵列的处理器。
在本申请的上下文中，如果区域2适于引导光，则认为其是透明的， 特别地，如果至少特定波长的通过lmm区域的光的透光度为至少80X、优 选至少90%，更优选95-100%，则认为其是透明的。
如果区域3适于用作挡光板，特别地，如果特定波长的通过1 mm区域 的光的透光度为至多20%，优选至多10%，更优选0_5%，则认为其是不 透明的。这种不透明的区域适于用作挡光板。
原则上，光波长可以是紫外线、可见光或红外线谱中的任何波长，特 别是从190至1500 nm的任何波长。优选地，在至少50 nm，优选至少100 nm的波长范围上，该区域是透明兼(respectively)不透明的。通常，该 波长范围不超过250 nm。优选地，该透明区域对400至800'nm之间的波长 的光是透明的，不透明区域对该范围内的光是不透明的。
光学微阵列可以由任何半结晶热塑性聚合物组成，该聚合物包括共聚 物和掺合物。特别地，这种聚合物包括聚对苯二甲酸乙二醇酯
(polyethyleneter印hthalates)、聚酰胺、聚甲基戊烯、聚丙烯以及聚萘 二甲酸乙二醇酉旨(polyethylene卿hthalates)。
虽然已经参照示范性实施方式解释了本发明，但是其不限于此。例如， 可替换地，例如通过在阵列1中集成反射表面，或者将阵列放置在传感器 系统中提供的反射表面(未示出)上，以反射模式提供光学微阵列。本发 明的范围由所附的权利要求限定。
权利要求
1.一种与化学传感器结合使用的光学微阵列，包括聚合物本体(1)，该聚合物本体包括一个或多个透明的第一区域(2)，所述透明区域(2)被不透明的第二区域(3)分割；其中所述微阵列由单体组成；所述透明区域由非结晶聚合物形成，而所述非透明区域由结晶聚合物形成。
2. 根据权利要求l所述的光学微阵列，其中所述透明区域提供有光化 学活性材料；在暴露于待测试的化学物质之前、期间或之后用于光学读出。
3. 根据权利要求2所述的光学微阵列，其中提供多个不同的材料以形 成多分析物化学传感器。
4. 一种化学传感器，包括 光源；根据权利要求1-3任一项所述的光学微阵列，以及 光学检测器，用于检测通过所述光源发射并且传送过所述光学微阵列 的辐射，用于待测试的化学物质的光化学检测。
5. —种化学传感器，其中以透射模式提供所述微阵列。
6. —种化学传感器，其中以反射模式提供所述微阵列。
7. —种制造根据权利要求l-3任一项所述的制造光学微阵列的方法， 该方法包括下面的步骤a. 通过应用本身已知的方法生产半成品本体，该半成品本体包括所述 第一区域和所述第二区域，然而所述第一区域和所述第二区域或者两者都 是透明的或者两者都是不透明的；b. 当该半成品本体的第一和第二区域是透明的时，将所述第二区域中 的聚合物加热至该聚合物熔化温度之上，随后慢慢地冷却，以便实现该第二区域中的该聚合物的实质上的结晶；c.当该半成品本体的第一和第二区域是不透明的时，将所述第一区域 中的该聚合物加热至聚合物熔化温度之上，随后快速地冷却，以便防止该 第一区域中的该聚合物的实质上的结晶。
8. 根据权利要求7所述的方法，进一步包括为所述第一区域提供化学 光学活性的材料。
9. 根据权利要求7所述的方法，使用模具制造所述半成品本体，并且 当所述半成品本体仍然保持在所述模具中时，执行所述第一或第二区域的 加热。
10. 根据权利要求7所述的方法，使用模具制造所述半成品本体，并 且在将所述半成品本体从所述模具取出后，执行所述第一或第二区域的加执。 "、、o
11. 根据权利要求7所述的方法，借助一个或多个激光束执行所述第 一或第二区域的加热。
12. 根据权利要求7所述的方法，为了使所述第一区域透明，应用每 秒钟几十摄氏度数级的冷却速度。
13. 根据权利要求7所述的方法，为了使所述第二区域不透明，应用 每秒钟百分之几摄氏度数级的冷却速度。
14. 根据权利要求7所述的方法，将所述半成品本体存储于存储装置， 并且在所述存储装置处，当所述半成品本体仍然保持在模具中时执行所述 第一或第二区域的加热。
15. 根据权利要求7所述的方法，将所述半成品本体存储于第一存储装置，并且当将所述半成品本体从所述第一存储装置移动到第二存储装置 时，执行所述第一或第二区域的加热。
全文摘要
一种与化学传感器结合使用的光学微阵列，包括聚合物本体(1)，该聚合物本体包括一个或多个透明的第一区域(2)，该透明区域(2)被一个或多个不透明的第二区域(3)分割；其中该微阵列由单体组成；该透明区域由非结晶聚合物形成，而该不透明区域由结晶聚合物形成。当该半成品本体是完全透明时，将第二区域中的聚合物加热至聚合物的熔化温度之上，随后慢慢地冷却，以便实现第二区域中的聚合物的实质上的结晶。当该半成品本体是完全不透明的时，将所述第一区域中的聚合物加热至聚合物的熔化温度之上，随后快速冷却，以便防止第一区域中的聚合物的实质上的结晶。
文档编号B29C71/02GK101370632SQ200780002537
公开日2009年2月18日 申请日期2007年1月18日 优先权日2006年1月18日
发明者A·G·M·比曼斯, J·M·G·丘嫩, R·M·德茨瓦特 申请人:荷兰应用科学研究会(Tno)