具有沿纖芯中心的中空通道以用于接收樣本的光纖的制作方法

背景技術：

已知用于在介質（特別是流體介質）中表征樣本的不同分析技術。

流式細胞術被用于醫學和生物學基礎研究工作并且作為診所中的眾多醫學部門中的常規診斷方法。液體在此處穿過小池（cuvette）并且關于其大小、質量或結構來分析包含在其中的分子或膠體物質。在光學分析中，將光束聚焦到液體流上，使得可以分析各個分子。在這種方法的幫助下，可以實現每一時間單位的高測量數目（每一秒多于1000個測量結果）并且統計上因而可以關于樣本快速地得出可靠結論。

這樣的散射光測量布置以及前述類型的測量單元例如從DE 10 2013 210 259 A1已知。以具有中心縱向孔的石英玻璃的中空柱體的形式的流體測量單元與色譜系統耦合。具有要表征的顆粒的液體流穿過孔并且暴露于激光束，其經由中空柱體包層而引入。接收散射光的檢測器以不同角度布置在柱體測量單元周圍。為了最小化由于測量單元的石英玻璃中或表面上的雜質的散射所致的檢測誤差，建議應當使測量單元圍繞其縱軸旋轉。作為流體單元的可替換方案，小池還被用于進行批量測量。

該方法具有以下缺點：引入到測量單元中的激光束僅可以聚焦在小空間區內，這限制了精確可測量的樣本體積。此外，代替散射光，通常必須檢查熒光以獲得可以從背景分離的更強信號。然而，僅非常少的樣本顆粒展現自然熒光。這就是為什么在這樣的情況下要求具有通過熒光基擴展的樣本的制備。

基于納米顆粒追蹤分析（NTA）的測量設備也是在商業上可獲得的。在該測量方法中，基本原理還在于在測量單元中的液體中提供樣本顆粒并且利用激光輻照它們。典型地，在顯微鏡之下借助于位置敏感的芯片來評價和分析散射光，由此原則上可以表示擴散和輸運移動。

NTA技術的缺點一方面在于低信噪比，因為光散射不僅發生在樣本顆粒上，而且還發生在測量單元的壁上，并且由此產生不期望的背景。另一方面，由于以下事實導致測量是有時間限制的：對于測量而言，激發激光可以僅在有限區域中聚焦在樣本上（光斑大小大約是激發光的波長的量值）。如果樣本顆粒由于其運動而穿過激發區，則其將不再被檢測到。

根據“電阻脈沖感測”（RPS）測量原理，通過測量電流中的改變來檢測穿過納米孔徑的顆粒。由此可以確定樣本顆粒的大小。

“表面增強拉曼散射”（SERS）方法是基于分子的拉曼散射的檢測，如果這些定位成接近極度放大拉曼信號的金屬表面的話。WO 2011/037533 A1描述了用于該方法的測量單元，其中提供了具有芯和包圍芯的包層的光纖，光纖前端充當所謂的“SERS表面”并且出于該目的而覆蓋有金納米顆粒，而另一纖維端連接到拉曼光譜儀。為了更好地固定金納米顆粒，包層在對應纖維端上突出成超出芯的前側幾個微米，由此形成具有內壁的腔室，納米顆粒固定到該內壁。

技術目標

簡單且不昂貴的測量方法將是期望的，其使得可能檢測流體介質（液體、氣溶膠、氣體）中的小顆粒或分子并且得出關于其屬性（諸如大小和擴散速率）的結論，而不在時間分辨率方面受限制，并且同時沒有樣本顆粒周圍環境中的有效改變（例如，沒有將其空間固定）。

在流式細胞術測量方法中，分析在顆粒處散射的光。這要求儀器方面的很少努力并且因此將原則上可用于成本高效的分析。然而，小顆粒的散射強度隨著顆粒直徑的六次冪而降低，其限制了測試樣本的可檢測顆粒尺寸，特別是在其中此外高背景信號使信噪比惡化的情況下。

本發明的目標是提供一種測量單元，其可以奠定用于這樣的測量方法的基礎。

本發明的大體描述

從前述類型的測量單元開始，根據本發明而實現該目標，因為測量單元配置為用于引導光束的光波導，所述波導包括具有折射率n_k的芯，其沿所述波導的縱軸延伸，在垂直于縱軸的橫截面中具有小于80μm²的橫截面積A_k，并且其被折射率小于n_k的包層所包圍，其中所述腔室形成通道，該通道沿縱軸延伸，形成在所述芯內部或者與所述芯接觸，并且具有開口面積A_H小于0.2μm²的至少一個開放端。

通道形成在光纖中，例如在階躍折射率或者漸變折射率光纖中或者在另一個波導結構中，例如在由蝕刻和沉積過程制造的半導體微芯片中。光波導的光傳導通過芯和包層的不同折射率而實現。中空通道服務于接收流體介質，流體介質包含要分析的樣本顆粒。流體介質此處裝入中空通道中，或者其通過流過中空通道而被引導通過中空通道。包含在其中的樣本顆粒可以沿中空通道的縱軸移動，但是它們在垂直于此的方向上在其運動中受通道的寬度尺寸的限制。在這方面，通道的寬度尺寸在空間上將樣本顆粒在橫向方向上的運動路徑限制到某一程度。出于該目的，將中空通道約束到由小于0.2μm²的開口面積限定的寬度。在具有圓形橫截面的通道中，這對應于小于500nm的直徑。簡單光學顯微鏡的景深對于檢測該范圍內的樣本顆粒是足夠的。然而，優選地，中空通道甚至更小；其具有例如在20nm到500nm范圍中的直徑，優選地在50-300nm范圍中，如果其在垂直于縱軸的橫截面上為圓形的話。根據本發明的“測量單元”包括具有芯和形成在芯中的中空通道的光纖，所述中空通道適配用于接收包含樣本顆粒的流體介質，并且通道具有由小于0.2μm²的開口面積限定的寬度，使得寬度足夠小以在空間上將樣本顆粒在橫向方向上的運動路徑限制到允許其顯微鏡檢測的程度。

用于在前側處耦合到芯中的激發輻射的光的空間包含全部是更加顯著的，并且芯的橫截面積越小，在芯中引導的光強度就越高。在短波激發輻射的情況下，以及在芯和包層之間的大折射率差異的情況下，芯的小橫截面積還促進了單模光傳導的實現。這有助于增大穿透到中空通道中的輻射能量并且由此改進通道的光照。出于該目的，芯在垂直于縱軸的橫截面中具有小于80μm²的橫截面積A_k。在具有圓形橫截面的芯中，這對應于小于10μm的直徑。然而，優選地，芯直徑甚至更小；例如，其具有小于3μm的直徑，如果其在垂直于縱軸的橫截面中為圓形的話。從實踐觀點來看，小于1μm的芯直徑不是優選的。

通道在光波導內在芯的內部或者與芯接觸地沿縱軸延伸。其與芯共享接觸表面。在垂直于縱軸的橫截面中觀看（出于簡單起見，在此之后也簡要地稱為“徑向橫截面”，這并不意圖將橫截面約束為圓形形狀），通道直接緊鄰芯或者與芯接觸地延伸，或者其部分地或優選地完全地在芯內延伸。在任何速率下，至少部分地，優選地完全地由芯材料限定中空通道。

經由光波導的芯/包層結構沿縱軸并且在中空通道中沿測量區段來引導激發輻射。根據射線光學方面，光傳導是基于關于條件n_k＞n_M（鈉蒸汽燈的D線的波長處的折射率）的全反射。在芯中引導的光此處可以穿透到通道中并且“照射”中空通道。從芯到中空通道中的該光強度傳輸不限于點或位置，而是發生在非常長的區段之上，例如沿芯和通道之間的整個接觸表面。已經穿透到通道中的光因而可以充當用于激發散射或者存在于通道內的樣本顆粒的其它狀態的輻射，也就是說在相當大的區段之上，其還準許在相當長的區段之上監控樣本顆粒的移動。中空通道的受約束的開口寬度防止樣本顆粒從激發光場遷移出來。

在通道內的強度分布盡可能大并且在徑向和軸向方向二者上均勻時樣本顆粒的高效光照是有利的。到達通道的輻射強度的比例可以充當測量單元設計的適用性的度量。在這方面，通道中的強度最小值和芯中的最大強度的比值被視為測量值。這種所測量的值應當為至少1%；優選地其為30%或更多。

如所已知的，階躍折射率類型的光波導中的光傳播模式的數目對于給定波長而言基本上取決于芯和包層之間的折射率差異以及芯直徑。關于所引導的激發光向中空通道中的可再生轉移，優選本發明的測量單元的實施例，其中芯和包層的折射率之間的差異、芯的橫截面積以及所引導的光束的波長經協調使得可以傳播光束的基模以及不多于20個的另外的模式。

在多譜段激發輻射的情況下，當用于光傳導的該條件滿足于光譜的最短波長時是有利的。

本身特別優選的是，其中僅形成一個單模（基模）的實施例，如所謂的單模纖維的情況。此處，所引導的光強度單獨地通過基模傳輸，這促進了光強度盡可能高地轉移到通道中。在具有若干模式的配置的情況下，光強度在這些模式之上分布，其一方面引起芯和中空通道中的低強度最大值。另一方面，在各個模式之上的能量分布難以確定，使得在多模式激發輻射的情況下，相比于單模輻射的情況下，可能不太準確地限定腔室中的真實強度分布，這使得散射輻射的評價更加困難。芯（芯直徑）越小，在原本完全相同的條件之下可能的光模式就越少。因此，真實的是，原則上可以確保光傳輸的單模性，因為芯（芯直徑）的大小設定成充分小。然而，小的芯尺寸還引起增大的制造和調節工作量。芯越小，光向所述芯中的傳輸就越復雜。在實踐中，此外難以精確地選擇預確定的芯直徑并且在測量單元的整個長度之上保持該芯直徑。因此，另一方面，盡可能大的芯直徑將是最佳的，在該情況下，僅勉強確保光傳輸的單模性。此外，通道改變構成創建光模式的基礎的邊界條件（關于麥克斯韋方程的邊界條件），使得特別地在關于單模光傳播的近乎截至設計的情況下（靠近所謂的截至波長），甚至可以容易地形成更高的模式。因此，除基模之外，某一數目的較高模式被視為可接受的，只要該數目不超過20個模式即可。

其中芯和包層由高硅質玻璃構成的測量單元已經證實為有用的。

“高硅質玻璃”代表具有以重量計至少60%的SiO₂含量的光學透明玻璃。

在這一點上，優選其中芯包括摻雜有氧化鍺的石英玻璃的測量單元，并且包層包括沒有摻雜或者摻雜有能夠降低石英玻璃的折射率的組分（特別地，氟）的石英玻璃。

石英玻璃在大約150nm和3000nm之間的寬波長范圍之上基本上透明。因此，測量單元允許利用在從UV到紅外的范圍中的波長的激發輻射，其中具有通過測量單元本身的壁的小散射貢獻。此外，材料石英玻璃有助于實現例如小于100nm的特別小開口橫截面的通道，這歸因于其中可以實施熱成形的相對大的溫度間隔。

氧化鍺引起石英玻璃的折射率的增大。已經發現的是，在芯中引導的光強度以及因而還有穿透到中空通道中的強度越高，芯和包層之間的折射率差異就越大。當芯摻雜有氧化鍺并且包層同時摻雜有氟時，可以在芯/包層邊界處建立特別大的折射率差異。該差異優選地為至少8x10^-3。

使芯玻璃摻雜有氧化鍺具有缺點，因為鍺在高溫處理步驟期間可能蒸發，由此改變折射率的徑向輪廓。因此，在根據本發明的單元的另一個優選實施例中，芯包括未摻雜的石英玻璃，并且包層包括具有折射率n_c的石英玻璃，所述石英玻璃摻雜有能夠減小石英玻璃的折射率的組分（特別地，氟）。

未摻雜的石英玻璃具有高光學透射率以及比摻雜石英玻璃更高的粘性。相比于具有較低粘性的芯玻璃而言，芯玻璃的高粘性促進了芯區內部的甚至非常小的通道的維持。

已經發現的是，小芯直徑和折射率的大差異二者有助于從芯穿透到通道中的高輻射強度。鑒于此，如果芯玻璃由未摻雜的石英玻璃制成，并且差n_k-n_c為至少16×10^-3，優選地至少20×10^-3，則這是有利的。

已經證實的是，當芯和包層由整塊（massive）固體材料制成時，這是有用的。

芯和包層二者包括固體的且整塊的塊狀材料。芯和包層二者在徑向橫截面中展現了名義上均勻的折射率輪廓。在制造過程期間可能難以防止由于高溫度和擴散過程所致的折射率中的局部改變。然而，包層沒有內部邊界，諸如例如另外的芯或者另外的通道。同樣地，除與單個中空通道以及與單個包層的接觸區域之外，芯不具有另外的邊界。在沒有邊界存在的情況下，測量單元基本上沒有邊界相關散射；特別地，其具有獨特的無散射包層。

此外，所謂的模式耦合的效應被避免，通過模式耦合，一模式的能量耦合到另一模式中。當存在不同光引導區（例如，光波導中的若干芯）時，可能發生該效應。模式耦合具有以下效果：光的能量在不同光引導區之間周期性地交換。然而，這具有以下效果：沿光波導的縱軸的散射速率是變化的。因而，取決于纖維的各種位置，樣本顆粒將在軸向上向不同角度散射，因為光場周期性地變化。如果中空通道沒有形成在芯內部，而是遠離它，則還可以可能地發生該效應。在優選實施例中，完全排除這樣的模式耦合，使得光的強度（除了（可忽略的）衰減）是軸向獨立的。

還已經證實的是，當在垂直于縱軸的橫截面中時，這是有利的；芯是具有小于10μm的直徑并且位于中空通道的相應橫截面區域內部的芯中心點的圓形。

通道優選地提供在用于從芯出來的光的穿透的條件最佳的位置處。理想地，該位置位于芯中心點中。然而，通道還可以從其橫向地延伸。在根據本發明的測量單元的最簡單情況下，芯、包層和中空通道相對于彼此在光波導中同軸地延伸。中空通道和芯此處在徑向橫截面中為圓形并且相對于彼此同心。根據本發明的測量單元的旋轉對稱性在測量條件和測量結果與其在測量儀器內部的空間取向無關的程度上的使用期間是有利的。芯直徑優選地為小的并且小于10μm，特別優選地小于3μm。根據本發明，已經在上文進一步結合其小徑向橫截面而解釋了小芯直徑的優點。

當一方面在芯中引導高輻射能量，該輻射能量在另一方面可以盡可能高效地穿透到通道中時，這是有利的。在這方面，優選其中通道完全地在芯內部延伸的測量單元的實施例，其中在垂直于縱軸的橫截面中，芯具有橫截面積A_k并且通道具有橫截面積A_H，其中比值A_k/A_H大于4，優選地大于20。

在該情況下，在徑向橫截面中觀看的中空通道完全地在芯內延伸。其在其長度之上被芯材料所包圍，使得在芯中引導的輻射能量可以高效地穿透到中空通道中。然而，在該情況下，中空通道（在徑向橫截面中觀看）的開口面積完全是以芯的橫截面積為代價。為了能夠提供芯內部的足夠高的輻射能量，通道的橫向尺寸（例如，其內直徑）優選地必須調節成使得芯的其余橫截面積仍然為中空通道的開口面積的4倍，優選地20倍。

光波導此處優選地配置為具有通道的階躍折射率纖維，其中通道具有開口寬度，其小于要在光波導中引導的光束的波長。

在測量單元的特別優選的實施例中，光波導配置為具有圓形橫截面的光纖，其中包層具有在150μm到300μm范圍中的外直徑。

該厚度的纖維一方面仍然是柔性的并且因而相比較大厚度的剛性纖維而言不太易于斷裂。另一方面，其厚度大于光學單模標準纖維，使得可以更加容易地處置它。包層可以附加地提供有保護覆蓋物。

根據本發明的測量單元的基本優點在于：

1. 樣本材料的空間包含

2. 低背景信號

3. 測量非常小顆粒/分子的可能性

4. 將測量儀器容易地集成到現有、商業可獲得且普遍的測量儀器中，以及從而實現小的獲取成本和光波導的適中的生產成本。

根據本發明的測量單元適于在用于醫學或生物學上下文中的個體分子的檢測的流式細胞術中使用。除此之外，測量單元在基于流式細胞術的納米顆粒分類、環境測量（氣溶膠）或者用于光化學過程的微型反應器的領域中提供可能的應用。

根據本發明的測量單元的優選實施例通過伸長而從預制件獲得，其中測量單元以具有光傳導中空通道的光纖的形式存在。中空通道完全地在光纖的芯內在徑向橫截面中延伸。其在其長度之上被芯材料所包圍，從而導致輻射能量向通道內的有效穿透，其中在芯中引導輻射能量。為了能夠在芯中提供足夠大量的輻射能量，通道的橫向尺寸（例如，其內直徑）必須優選地設定成使得芯的其余橫截面積仍然為通道的橫截面積的4倍，優選地20倍。

在最簡單的情況下，已經預確定了預制件中的該比值，從該預制件按真實比例拉出光纖。

根據本發明的半成品的有利研發根據從屬權利要求而變得明顯。在從屬權利要求中指示的半成品的設計的范圍內，復制在從屬權利要求中關于根據本發明的測量單元所提及的實施例，參照關于對應權利要求的以上評述以得到補充解釋。

根據本發明的測量單元適于在將于下文解釋的顆粒檢測裝置中使用。測量單元對檢測裝置做貢獻，因為其提供包括入口和至少一個通道壁的中空通道，入口準許將光引入到通道中，所述通道壁或者每一個通道壁被布置成限定光可以通過其傳播的通道路徑；光源，其配置成經由入口將光引入到通道中，通道成形為引導光沿通道路徑傳播以用于照射位于通道路徑中的一個或多個顆粒；以及監控設備，其配置成檢測通過所引導的光對所述顆粒或每一個顆粒的光照而創建的并且通過穿過所述通道壁或每一個通道壁而離開通道的散射光。

顆粒檢測裝置準許在存在于通道路徑中的流體（例如，液體或氣體）中自由擴散的顆粒的光學檢測。特別地，顆粒檢測裝置的配置準許使用相干和/或非相干光散射來檢測非常小的顆粒，特別是在低于100nm范圍中的顆粒。

通過以上文陳述的方式配置通道和監控設備，沒有被所述顆粒或每一個顆粒散射的任何光保持沿通道路徑引導使得僅由監控設備檢測到散射光。這可以例如通過散射光在與引導光的引導方向的非零角度處通過所述通道壁或每一個通道壁離開通道而實現。這進而提供對背景的卓越信號以及信噪比，并且由此增強所述顆粒或每一個顆粒的檢測，因而防止通過照射引導光的殘余散射的直接檢測而淹沒所檢測的散射光。

此外，顆粒檢測裝置的配置允許通道路徑中的所述顆粒或每一個顆粒保持由引導光進行照射并且由此保留在成像平面中而沒有散焦。使所述顆粒或每一個顆粒保持在引導光的光照平面中不僅消除了對受約束體積中的顆粒的固定的需要，諸如在低溫電子顯微鏡中執行的那樣，并且由此導致不太復雜且較便宜的顆粒檢測裝置，而且還提供延長的檢測時段，其準許所述顆粒或每一個顆粒的增強實時追蹤并且增加關于所述顆粒或每一個顆粒的可獲得信息量。

此外，顆粒檢測裝置的配置使得能夠實現多個顆粒的相干光照，使得當多個顆粒接近彼此時，任何合成近場干涉效應導致顆粒檢測裝置的檢測靈敏度的增強。

如在上文中闡述的顆粒檢測裝置的改進的檢測能力不僅消除了對用專業監控設備檢測所述顆粒或每一個顆粒的需要并且由此準許使用較簡單且較便宜的監控設備，諸如光學顯微鏡、智能電話相機或較簡單的光檢測電子器件，而且還準許在環境條件下，而不是如由低溫電子顯微鏡要求的特定條件下檢測所述顆粒或每一個顆粒。

監控設備可以配置成以不同方式檢測散射光來研究所述顆粒或每一個顆粒，其示例如下。

監控設備可以配置成測量散射光的相干散射強度、散射光的非相干散射強度、散射光的光譜、散射光在多個方向之上的分布和/或一個或多個顆粒的動態運動，優選地所述顆粒或每一個顆粒的愛因斯坦-斯托克斯擴散常數。

散射光的散射強度的測量準許研究顆粒相互作用。例如，散射光的散射強度的測量準許通過對散射強度中的二次改變、所述顆粒或每一個顆粒的光譜響應或擴散常數來研究顆粒鍵合和非鍵合事件。

此外，所述顆粒或每一個顆粒的愛因斯坦-斯托克斯擴散常數和散射強度的同時測量允許區分單個較大顆粒與顆粒的聚合體，即使在它們均展現類似散射強度的情況下。

監控設備可以配置成通過散射光的檢測追蹤所述顆粒或每一個顆粒的運動。所述顆粒或每一個顆粒的運動的這種追蹤準許所述顆粒或每一個顆粒的水動力行為的研究。

監控設備可以配置成測量所述顆粒或每一個顆粒的發射譜。這準許在其光譜特征的基礎上識別所述顆粒或每一個顆粒。

監控設備可以配置成檢測通過引導光對所述顆粒或每一個顆粒的光照而創建的并且通過穿過所述通道壁或每一個通道壁而離開通道的熒光。

監控設備可以配置成檢測相干散射光和/或非相干散射光，并且可選地檢測相干散射光和/或非相干散射光的光譜，其通過引導光對所述顆粒或每一個顆粒的光照而被創建并且通過穿過所述通道壁或每一個通道壁而離開通道。

可選地，監控設備可以配置成通過相干散射光和/或非相干散射光的檢測來追蹤所述顆粒或每一個顆粒的運動。

檢測散射光的監控設備的配置準許使用金屬、半導體或有機對比劑以增強所述顆粒或每一個顆粒的極化性并且由此增強顆粒檢測裝置的檢測靈敏性。

此外，檢測散射光和熒光兩者的監控設備的配置準許同時測量散射光和熒光以便例如經由逐步漂白對熒光顆粒的數目進行計數，或者測量所述顆粒或每一個顆粒的發射譜以在其光譜特征的基礎上識別所述顆粒或每一個顆粒。

在顆粒檢測裝置中使用的通道的選擇可以根據一系列因素而變化，所述因素諸如顆粒大小、化學組成、設備可用性等。

中空通道的開口寬度可以根據要檢測的所述顆粒或每一個顆粒的大小而變化。例如，通道可以布置成運送比引導光的波長小的至少一個顆粒。

通道可以以不同方式形成以使得能夠檢測要檢測的所述顆粒或每一個顆粒的大小。通道可以形成為以下各項或者在以下各項中形成

? 波導；

? 基于芯片的平臺，可選地，以平版印刷（lithographically）方式形成的基于芯片的平臺；

? 毛細管；

? 光纖。

光纖可以是單模光纖。這樣的光纖的使用改進了其中沿通道路徑引導光的方式，并且由此改進了位于通道路徑中的所述顆粒或每一個顆粒的合成光照以及隨后的光散射。

優選實施例

現在將參照實施例和專利附圖更加詳細地解釋本發明。詳細地，在示意性圖示中，

圖1示出了裝備有根據本發明的測量單元的流式細胞術中的測量裝置的第一實施例，

圖2示出了以具有中空通道的光纖的形式的測量單元，該中空通道在頂視圖中處于光纖的前側上，

圖3是示出了從其產生測量單元的細管的斷裂表面的顯微圖（圖6，參考標號89），

圖4示出了在光纖的兩個不同實施例中并且用于引導光的不同波長的具有引導光的徑向輻射強度曲線的圖，

圖5示出了取決于中空通道的直徑在光引導中空通道中測量的最大強度的模擬（坡印亭矢量），

圖6示出了用于產生根據本發明的測量單元的方法步驟，

圖7-9圖示了當電介質乳膠（latex）納米顆粒的水懸浮液沿圖1的顆粒檢測裝置的通道路徑運送時作為位置的函數的散射強度；

圖10圖示了使用圖1的顆粒檢測裝置隨時間對電介質乳膠納米顆粒和單個豇豆褪綠斑駁病病毒的位置的追蹤；

圖11圖示了用于折射率的球形顆粒以及用于球形顆粒的聚合體的散射橫截面對比擴散常數的理論比較；以及

圖12圖示了使用圖1的顆粒檢測裝置而來自電介質溶膠納米顆粒的散射光。

圖1示出了流式細胞術中的基本測量布置。測量裝置不是本發明的主題。

測量原理是基于由于樣本顆粒的光照的結果的散射光、熒光或者以其它方式發射的光的光學檢測。檢測可以但不需要以位置、頻率或強度敏感的方式實施。在對應評價光學器件和算法的幫助下，可以記錄所分析的樣本顆粒的特性，諸如大小、形式、擴散速率、移動性、散射橫截面。

在圖1的測量布置中，根據本發明的流體測量單元以光學中空纖維1的形式而使用，光學中空纖維1具有芯3、包層2和光引導通道4。包含要表征的樣本顆粒5的液體流穿過通道4。液體流和包圍該流的芯3借助于激光器6來進行照射，激光器6經由中空纖維1的前側引入預確定激發波長的光。作為單色激光器光的可替換方案，使用多色激發輻射。中空纖維1與監控設備耦合，監控設備可以是包括相機8的常規顯微鏡系統7，相機8可以是科學的互補金屬氧化物半導體（sCMOS）相機。其聚焦或檢測平面位于中心軸線9的區中并且借助于其來觀察和傳遞測試樣本和包含于其中的樣本顆粒5以用于數據評價。此處檢測彈性光散射（瑞利散射），該光散射作為來自于散射顆粒的與激發頻率相同的頻率的散射光。由于中空纖維1的低衰減，背景散射將很難在纖維材料本身中演化。

中空通道4可以形成在單模光纖1中。通道4包括入口和通道壁。入口準許將光引導到通道4中以及芯3中。中空通道4圍繞管狀孔，其限定光可以通過其傳播的通道路徑。圖2示出了用于例如670nm波長的光的光纖1的徑向輪廓。

光纖1可以代替地由聚合物制成。在其它實施例中，中空通道形成為通過平版印刷術（lithography）而制造在基于芯片的平臺上的波導。

在使用中，通過毛細管力或者通過外部壓力的應用而沿通道路徑4運送多個顆粒5。

光源6配置成經由入口將光引入到通道4中。在所示出的實施例中，光源6是激光器。在使用中，光纖1的芯/包層結構引導光以單模式沿通道路徑4傳播并且由此照射位于通道路徑4中的每一個顆粒5。

監控設備8包括物鏡、二色性分束器、刀緣反射鏡和sCMOS相機8，該物鏡配置成導致400X的總體放大率以及多于200μm的有效視場，該sCMOS相機8具有用于6像素x 1024像素區域的3.5kHz的最大幀速率。物鏡定位在通道壁外部以收集通過穿過通道壁而離開通道4的光。二色性分束器和刀緣反射鏡位于物鏡和sCMOS相機8之間，使得二色性分束器DBS將熒光與由物鏡收集的光分離，并且刀緣反射鏡隨后在其通過sCMOS相機8的同時成像之前組合熒光和由物鏡收集的光的其余部分。以該方式，監控設備8配置成檢測通過引導光對每一個顆粒5的光照而創建的并且通過穿過通道壁而離開通道4的光。

所成像的區域可以沉浸在折射率匹配的油中以克服由光纖1的外部柱體形狀引起的像差。可替換地，光纖的包層可以與平坦玻璃載片折射率匹配以在sCMOS相機8上獲得顆粒5的幾乎各項同性的點狀成像。

由于纖維的芯/包層結構，所引入的激光器光在纖芯3中引導并且達到（同樣在通道4內）對于光學分析引入到該腔室中的樣本體積而言足夠的強度。這是每當中空通道4的寬度大約為引導光的波長的量值或者更小時的情況。因而，中空纖維1的光傳導使得有可能以準均勻方式在整個長度之上照射中空通道。結果，可以從其檢測光以用于顯微鏡分析的區不限于光斑區（spot region）。

代替其中使測試樣本穿過的操作，中空通道4還提供樣本體積的一維或二維包含的可能性，由此要分析的樣本顆粒5可以在長測量時段內保持在測量區中。

圖2示意性地示出了以具有光引導中空通道4的光纖1的形式的測量單元的實施例，光引導中空通道4在頂視圖中處于纖維的前側上。芯3包括氧化鍺摻雜的石英玻璃并且具有3μm的外直徑。鄰接芯3的包層2包括未摻雜的石英玻璃并且具有200μm的外直徑。通道4具有200nm的直徑。芯3和包層2的石英玻璃的折射率之間的差異為0.008。通道4、芯3和包層2圍繞縱軸9同軸地延伸（參見圖1）并且在圖2的表示平面中彼此同心。除中空通道4之外，芯3或包層2均沒有展現可能引起散射的其它結構非規則性或非均勻性。幾厘米的纖維長度對于相應測量是足夠的。

因而，光纖1包括石英玻璃，并且相比于其它光學材料，諸如多組分玻璃或光學塑料，其展現出針對從紫外直至紅外波長范圍中的光的低衰減并且因而還展現出卓越的瑞利散射。該屬性將測量中的散射背景降低到最小并且允許良好的信噪比。這在非常小的樣本顆粒的情況下尤其重要，因為樣本顆粒的散射信號以過度線性倒易的（over-linearly reciprocal）方式與顆粒直徑相關。因此明確地注意到所描述的散射背景的減少，尤其是在特別小的樣本顆粒5的分析中，如例如在生物學過程中發現的那樣，并且其可能目前由于其小尺寸而尚未利用該方法進行分析。此處病毒應當以示例的方式被提及。

此外，出于相同原因，在許多情況下可能無需利用熒光物質對要分析的相同顆粒的進行附加標記。相比于每一個熒光分子的熒光的飽和行為，散射光的強度量在物理上不受限制，但是特別地取決于激發光的局部強度。當激發強度可以增大時，散射光的整個強度增大。充分高的散射結果由此還可以在短的時間間隔內實現。這使得可能直接地追蹤生物化學過程，包括可能的中間步驟，并且由此測量可以利用該方法分析的屬性。

作為可替換方案，還可以檢測頻移光，如例如在布里淵散射、拉曼散射的測量或熒光測量中的那樣。

圖3是在增加包層材料的量的另外產生步驟之后，通過真正按比例伸長從其獲得光纖的中間產品中的斷裂表面的顯微圖，該光纖具有芯3、包層2和光引導中空通道4。具有中空通道4的光纖1必須滿足以下任務中的一個或多個：

? 具有一個或多個樣本顆粒5的流體的接收。

? 樣本顆粒5可以在其中移動的空間的約束。樣本顆粒5此處基本上約束成縱軸9的方向上的一維運動。

? 激發光向樣本顆粒5的傳輸。其目標是在整個通道4內實現盡可能高的光強度，如果可能的話。

? 特別地，在其中要檢測彈性光散射（瑞利散射）的情況下，背景散射水平的最小化是重要的（相比于用于光纖的其它材料，通過使用石英玻璃）。

光纖1的構造設計選擇成使得中空通道4內的光強度盡可能高。在優選實施例中

? 光纖至少包括光引導纖芯3、包層2和中空通道4，

? 中空通道4位于纖芯3中或者直接在纖芯3上，使得通過纖芯3供應的激發光的部分穿透到中空通道4中。優選地，中空通道4與纖芯3完全定位，

? 光纖1是單模纖維或者具有基模以及以另外僅具有少量模式的纖維（優選地，具有基模和少于20個的次級模式），

? 中空通道4是在兩側處敞開或者閉合的腔室（在最后提及的情況下，樣本介質被圍繞，例如因為中空纖維的末端在沒有中空通道的情況下與其它光纖接合），

? 在徑向橫截面中觀看到的中空通道5具有圓形形狀和直徑，其大約是引導光的波長的量值或者更少，

? 光纖1具有高數值孔徑以及因而盡可能小的芯直徑，使得中空通道4中的光強度最大化。

? 光纖1包括摻雜和/或未摻雜的石英玻璃以防止強烈散射背景。

圖4示出了關于光纖內的徑向強度輪廓的模擬的結果。在圖的縱坐標上，對照從中空通道K的中心（p=0）開始的徑向位置“p”（以nm計）來繪制（以相對單位）坡印亭矢量?I“的z分量（沿縱向纖維軸線9）。在中空通道4填充有水（水的折射率：1.33）的情況下，坡印亭矢量的量對應于在纖維中引導的基模的強度。

曲線A500和A1000表示如在圖1中示出的纖維的徑向強度輪廓，其中A500是針對具有500nm波長的引導光所模擬的，A1000是針對具有1000nm波長的引導光所模擬的。在該情況下，包層2和芯3之間的折射率差異是0.008（標準單模纖維的量值的典型數量級）；芯具有3μm的直徑。

相比于未受干擾的芯，可以在具有中心孔4（其在該情況下為200nm）的芯3中獲得基模的不同強度曲線。強度最大值不是位于纖維中心，而是大概地位于中空通道的壁和包層的內壁之間的中心。可以看出，在水填充的中空通道K內，強度僅稍微跌落并且甚至在總曲線的振幅的量值的相同數量級中處于最小值。

中空通道K中的強度最小值（在中心）和芯中的最大強度的比值在該特定設計中為大約50%。

通過比較，曲線B500和B1000示出了具有芯和包層之間的增大折射率差異的纖維中的基模的強度分布。芯包括未摻雜的石英玻璃并且具有1.7μm的外直徑。包層包括摻雜有氟的石英玻璃并且具有200μm的外直徑。中空通道具有200nm的直徑。芯和包層的石英玻璃的折射率之間的差異在這里為0.025。曲線B500是針對具有500nm波長的引導光所模擬的。曲線B1000是針對具有1000nm波長的引導光所模擬的。

特別地，由于相比曲線A500和A1000的較高折射率差異，對于該測量單元，在芯3內部的輻射的總強度中，在中空通道中引導的總輻射強度比相應B500-和B1000曲線中更大。在曲線B500的情況下，中空通道4中的強度最小值（在中心處）和芯中的最大強度的比值為大約60%。

曲線A500和A1000相應地曲線B500和B1000之間的比較示出具有較高波長（1000nm）的引導光導致在芯區中以及在通道區K中強度I的更平坦的徑向分布輪廓。

圖5的示圖圖示了用于兩個特定波長500nm和1000nm的中空通道的內直徑對在中空通道內引導的輻射強度的影響。如圖4那樣，曲線A500和A1000表示在圖1中示出的纖維的徑向強度輪廓，由此曲線A500是針對具有500nm波長的引導光所模擬的，A1000是針對具有1000nm波長的引導光所模擬的，而芯3和包層2之間的折射率差異為0.008，并且依照來自圖4的曲線A500和A1000，芯的直徑為3.0μm。曲線B500是針對具有500nm波長的引導光所模擬的，B1000是針對具有1000nm波長的引導光所模擬的，每一個都針對0.025的折射率差異和1.7μm的芯直徑的情況。

在示圖的縱坐標上，對照洞的直徑d（以nm計；作為開口寬度）而繪出通道4內部的坡印亭矢量的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%計）。此處，該比值表示通道內的光強度的減小量。

由此顯而易見的是，在中空通道中引導的輻射強度取決于中空通道的內直徑。直徑越小，洞內部的最小值處的強度值將變得越高。另一方面，洞越小，將變得更難以制造以及難以與設備一起工作（顯而易見地，還有僅小于洞大小的顆粒在物理上能夠進入它）。因而，所要求的最小強度和最小洞直徑之間的權衡得出50到300nm直徑的實際有利的洞直徑。

具有中空通道4的光纖1從預制件得到。用于具有由圖4中的曲線A表示的纖維的折射率差異的測量單元的預制件的產生應當在此之后參照示例并且參照圖6更加詳細地解釋。

在第一方法步驟中，提供所謂的襯底管81。襯底管81包括未摻雜的石英玻璃并且具有21mm的內直徑和2mm的壁厚度。在襯底管81的孔的內壁上，在襯底管的內側上沉積包含鍺的石英玻璃的芯層82。根據已知的MCVD方法，未摻雜的石英玻璃隨后將充當包層材料。芯層82的鍺含量設定成以便滿足關于包層材料的未摻雜石英玻璃的折射率差異0.008。

由此涂敷在內側上的襯底管81隨后坍塌以形成石英玻璃管84，其中維持具有0.5mm直徑的孔85。包含鍺的層形成具有大約3mm的外直徑的中空芯86。石英玻璃管84的外部壁借助于氫氧燃燒器而火焰拋光。以該方式清潔的石英玻璃管84在沒有任何工具的情況下在牽引過程中伸長成具有大概2mm的外直徑的細管89。在伸長過程期間，利用氮氣分別沖刷石英玻璃管和牽引出來的管股的內部洞。

由此獲得的細石英玻璃管89的內部洞87具有大概剛好在100μm以下的直徑。石英玻璃管89在另外的方法步驟中上覆（overclad）有未摻雜石英玻璃的所謂的套管91。將細石英玻璃管89引入套管的孔中，其同軸地定心于其中并且逐分區地與其融合以形成厚壁管狀預制件90。

由此產生的管狀預制件90具有粗略地30nm的外直徑并且在徑向橫截面中，其示出內部洞87的同心布置。

此外，預制件90具有單模階躍折射率設計和同軸中心孔。其被牽引成具有光引導中空通道101的光纖100。為了避免全部坍塌，在牽引過程期間利用氮氣給內部洞87加壓。所得纖維100具有200μm的標稱直徑。其由內部洞101、Ge摻雜的石英玻璃的芯區103以及未摻雜石英玻璃的外部包層區102的同心布置形成。內部洞101具有剛好在600nm以下的直徑，芯區103具有剛好在3μm以下的外直徑。

在此之后，應當描述測量單元的可替換制造過程。制造過程牽涉到沉積步驟，其中借助于標準POD方法（等離子體輔助的外部沉積）在支撐管上產生氟摻雜的石英玻璃層。支撐管包括未摻雜的合成石英玻璃。其具有5mm的內直徑和40mm的外直徑。為此目的，將SiCl₄、氧和SF₆供應給等離子體燃燒器并且在分配給等離子體燃燒器的燃燒器火焰中將其轉換成SiO₂顆粒。由于等離子體燃燒器沿支撐管從一端向另一端反向地移動，所以SiO₂顆粒沉積在圍繞其縱軸旋轉的支撐管的外部柱體表面上的層中。由此可能的是，將多于5%重量（wt.）的高氟濃度并入在具有15mm厚度的氟摻雜的石英玻璃層的石英玻璃網絡中。

在沉積過程之后，將SF₆的加熱蝕刻氣體流引入到支撐管的中心孔中。SF₆的蝕刻氣體流配置成使得支撐管沒有完全移除，而是保留具有15mm厚度的未摻雜二氧化硅層。不需要管狀形式（=起始裝置管）的內部孔的機械處置。

隨后在沒有任何工具的伸長過程中將以該方式產生的起始裝置管牽引成雙壁管，其具有未摻雜二氧化硅的芯層和氟摻雜的石英玻璃的包覆層。為此目的，在內部孔中維持與外部應用的外部壓強相比提升5mbar的內部壓強。這產生雙壁管，其包括通過熱成形平滑處理的內部壁并且在管的整個長度之上具有特別高的表面質量以及內部孔的精確寬度。

所得雙壁管進一步在第二POD沉積過程中處理以用于氟摻雜的石英玻璃層的另外沉積，如已經在上文針對起始裝置管的制作而描述的那樣，從而導致厚壁“母管”。

使母管伸長以便獲得具有光引導中空通道的光纖，如已經在上文參照圖4中的曲線B所解釋的那樣。除同軸內部中空通道之外，所得纖維具有單模階躍折射率設計。其具有未摻雜二氧化硅的芯和氟摻雜的二氧化硅的包層。從以該方式獲得的光纖產生具有期望長度的片段，該片段被用作根據本發明的測量單元。

借助于圖1，如下描述了用以檢測顆粒的測量單元的典型使用。

最初，利用熒光團標記要沿通道路徑運送的顆粒5。在將要沿通道路徑運送的顆粒引入到通道4中之后，顆粒5在通道路徑中存在的流體（例如，液體或氣體）中自由擴散。

在顆粒沿通道路徑的運送期間，經由入口向通道4中引入光以照射位于通道路徑中的每一個顆粒5。由于通道中的引導光的限制以及通道4的孔的亞波長尺寸，每一個顆粒的光照由于顆粒的大小和極化性而導致散射并且由于熒光團的存在而導致熒光。當顆粒的大小小于引導光的波長時，該顆粒的光照導致相干和/或非相干光散射。

所得散射光和熒光的部分在相對于引導光的引導方向的非零角度處通過通道壁離開通道4。物鏡收集散射光和熒光，其然后被傳輸給sCMOS相機8以用于成像。sCMOS相機8隨后處理所檢測到的光以便創建每一個被照射顆粒的輸出圖像，由此準許每一個被照射顆粒5的可視化。

同時，沒有被顆粒5散射的任何光保持沿通道路徑引導。這導致針對背景的卓越信號以及信噪比，并且由此增強對每一個被照射顆粒的檢測，因而防止所檢測到的散射光被照射引導光的殘余散射的直接檢測所淹沒。

顆粒檢測裝置的配置準許使用相干和/或非相干光散射的效應來檢測非常小的顆粒，特別是在低于100nm范圍中的顆粒。

圖9-11圖示了當沿通道路徑運送電介質乳膠納米顆粒的水懸浮液時作為位置的函數的散射強度。電介質乳膠納米顆粒具有19nm、35nm和51nm的標稱直徑，其中每一個分別對應于針對670nm波長的0.0023nm²、0.09nm²和0.86nm²的散射橫截面。

圖7是具有1ms曝光時間的乳膠納米顆粒的示例性原始圖像，而圖8描繪了對數假彩色中的相同圖像（此處：灰度圖片）。圖9圖示了作為位置“p”（以μm計）的函數的總和散射強度log I的半對數繪圖。顆粒檢測裝置能夠檢測具有19nm、35nm和51bn的標稱直徑的電介質乳膠納米顆粒。

此外，顆粒檢測裝置使得能夠通過散射光的檢測來測量散射強度并且追蹤每一個顆粒的運動。每一個檢測顆粒的散射強度的這種測量以及每一個顆粒的運動的這種追蹤不僅提供了關于每一個檢測顆粒的信息，而且還準許研究每一個顆粒的熱學擴散以及由此的水動力行為。

圖10圖示了使用顆粒檢測裝置隨時間t[以秒計]對以上電介質乳膠納米顆粒和26nm單個豇豆褪綠斑駁病病毒（CCMV）的位置“p”（以μm計）的位置的追蹤。

圖10包括作為用于以上電介質乳膠顆粒和26nm單個CCMV的所提取的擴散常數D的函數的平均檢測的散射強度“I”的繪圖，以及用于所追蹤的顆粒的所檢測的散射強度的對數的直方圖。從圖10的繪圖和直方圖中可以看出，如通過參考標號42,44,46,50,52,54所指示，具有不同標稱直徑的不同電介質乳膠納米顆粒顯著地展現彼此不同的散射強度。顆粒檢測因此能夠基于其不同散射橫截面而在具有不同標稱直徑的不同電介質乳膠納米顆粒之間進行區分。

此外，可以從圖10的直方圖中看出，相比于電介質乳膠納米顆粒的50,52,54，單個CCMV由于其較低的折射率對比而展現出較低的散射強度56，并且所以顆粒檢測裝置30能夠在電介質乳膠納米顆粒和單個CCMV之間進行區分。

另外，每一個所檢測的顆粒的愛因斯坦-斯托克斯擴散常數和散射強度的測量允許從單個較大顆粒區分顆粒的聚合體，即使是在它們二者展現出類似的散射強度的情況下。

每一個所檢測到的顆粒的擴散常數和大小通過以下獲得：

? 獲得用于每一個時間間隔的位移直方圖；

? 驗證位移直方圖為高斯型；

? 使用位移直方圖的方差（variance）來計算對應均方位移（MSD）；

? 根據針對小間隔的MSD相對時間間隔的斜率的擬合的一半來計算擴散常數；

? 使用愛因斯坦-斯托克斯方程來計算每一個所檢測的顆粒的水動力直徑。

室溫下用于水的愛因斯坦-斯托克斯方程是：

水動力直徑

其中D是擴散常數。

圖11圖示了用于不同折射率n1和n2的球形顆粒以及用于顆粒聚合體的散射橫截面西格瑪（sigma）（以[nm²]計）相對于擴散常數D（以μm2/s）的理論比較。

圖11中的圓點58表示多個20nm乳膠納米顆粒的散射橫截面相對于擴散常數的理論模型。上部直線60表示用于不同大小并且折射率n1=1.65的單個完整球形乳膠顆粒的散射橫截面相對于擴散常數的理論模型。下部直線62表示用于不同大小并且折射率n2=1.4的單個完整球形蛋白質顆粒的散射橫截面相對于擴散常數的理論模型。

從圖11可以看出，來自多個20nm乳膠納米顆粒的聚合體的散射強度展現出具有與不同大小的完整球形顆粒的散射行為不同的散射常數的散射行為。因而，縮放（scaling）行為中的這種差異允許從單個較大顆粒區分顆粒的聚合體，即使是在它們二者展現出類似的散射強度的情況下。

圖12圖示了使用顆粒檢測裝置隨時間對單個豇豆褪綠斑駁病病毒（CCMV）的位置的追蹤。通過使用顆粒檢測裝置隨時間追蹤每一個所檢測到的顆粒的位置，可以分析其布朗運動以經由愛因斯坦-斯托克斯方程得出每一個所檢測到的顆粒的擴散常數以及因而得出其大小，如隨后在本申請中討論的那樣。可以從圖12看出，顆粒檢測裝置能夠追蹤具有20nm范圍中的大小的單個CCMW。

檢測散射光的監控設備的配置準許使用金屬、半導體或有機對比劑以增強每一個顆粒的極化性并且由此增強顆粒檢測裝置的檢測敏感性。此外，檢測散射光和熒光二者的監控設備的配置準許同時測量散射和熒光以便測量每一個顆粒的發射譜。這準許在其光譜特征的基礎上識別每一個顆粒。

散射光的散射強度的測量準許研究顆粒相互作用。例如，散射光的散射強度的測量準許通過散射強度中的二次改變、光譜響應或者每一個顆粒的擴散常數的檢測來研究顆粒鍵合和非鍵合事件。

可選地，監控設備可以配置成測量散射光的光譜和/或散射光在多個方向之上的分布。

液體中的小顆粒的熱學擴散與其大小成反比并且對于水中的10納米球形顆粒可以達到每秒數十平方微米，因而將可用檢測時段限制成其中顆粒在成像焦平面中花費的持續時間。

另一方面，圖1的顆粒檢測裝置的配置允許通道路徑中的顆粒保持受引導光的照射并且因而保持在成像平面中且沒有散焦。使顆粒保持在引導光的光照平面中不僅消除了對受約束的體積中的顆粒的固定的需要，諸如在低溫電子顯微鏡中執行的那樣，并且由此導致不太復雜且較便宜的顆粒檢測裝置，而且還提供了延長的檢測時段，其準許每一個顆粒的增強實時追蹤并且增加關于每一個顆粒的可獲得信息量。

相比于散射光檢測，在熒光顯微術中，速度受熒光發射速率所限制，并且可用檢測時段被熒光的光致漂白所縮短。

如在上文中闡述的顆粒檢測裝置的改進的檢測能力不僅消除了用于使專門監控設備檢測每一個顆粒的需要并且由此準許使用較簡單且較便宜的監控設備，諸如光學顯微鏡、各種類型的光電檢測器、線CCD檢測器或智能電話相機，而且還準許在環境條件之下而不是如由低溫電子顯微鏡所要求的特定條件之下檢測每一個顆粒。

在其它實施例中，顆粒檢測裝置可以包括用于驅動每一個顆粒沿通道路徑流動的驅動機構。在這樣的驅動機構的一個示例中，可以將電極并入通道4中以準許使用電泳力來沿通道路徑操控每一個顆粒。