專利名稱：全息傳感器、組合裝置、皮下植入物及相關方法
技術領域：
本發明涉及全息傳感器。
背景技術：
W0-A-95/26499公開了一種全息傳感器。該傳感器包括全息支持介質(supportmedium)以及位于整個介質的全息圖。支持介質與分析物相互作用，使得介質物理特性發生變化。該變化引起全息元件的光學特征如可偏轉性、反射率、折射率或吸收度發生變化。在重播全息圖時(如使用入射寬波、非電離電磁輻射)如果出現任何變化，那么使用光學檢測器會觀察到如顏色變化。光學檢測器可以是光譜儀，也可僅是肉眼。 W0-A-99/63408描述了制造全息傳感器的另一種方法。使用了序列處理技術，其中首先制造聚合物膜，隨后添加感光鹵化銀微粒。通過向聚合基體中擴散可溶性鹽引入這些微粒，他們在其中起反應形成不可溶感光沉淀物。然后全息圖像被記錄下來。上述全息傳感器是通過使用平面鏡記錄全息圖而制成，這是在裝有適當液體的槽中全息拍攝的。另外，該傳感器的支持介質是平面的。如果在光散射相當大如皮下環境中使用該傳感器，那么該裝置可能并不總是有效。另外，為了檢測反射光，光學檢測器必須被放置在相對傳感器的特定位置。
發明內容
本發明是基于上述問題可以通過使全息圖成為非平面鏡的方式解決這一認識的。這可以通過多種方式實現，如使用非平面鏡和使用非平面支持介質來記錄全息圖。因此，本發明的第一方面是包括介質和位于其中的全息圖的傳感器，其中介質的物理特性變化會導致全息圖的光學特征發生變化，并且其中全息圖形成非平面鏡。本發明的第二方面是本發明傳感器的制造方法，包括使全息圖在介質中成為非平面鏡。本發明的第三方面是分析物的檢測方法，包括用光遠程詢問本發明傳感器的全息元件；以及檢測傳感器的光學特征中發生的任何變化。本發明的第四方面是采用傳感器檢測分析物的方法，該傳感器包括介質和位于整個所述介質中的全息圖，其中作為因與分析物反應而導致的介質的物理特性變化的結果，全息圖的光學特征發生變化，并且其中全息圖被形成為非平面鏡，其中，所述方法包括使用光來遠程地詢問所述傳感器的全息元件，其中所述詢問是通過用于將光傳輸至全息圖并從全息圖傳輸出的單元來進行的；以及檢測所述傳感器的光學特征的任何變化。本發明的第五方面是一種傳感器與光導纖維束的組合裝置，其中所述傳感器包括介質和位于整個所述介質中的全息圖，其中作為介質的物理特性變化的結果，全息圖的光學特征發生變化，并且其中全息圖被形成為非平面鏡，所述光導纖維束用于將光傳輸至所述全息圖并從所述全息圖傳輸出。本發明的第六方面是一種包括傳感器的皮下植入物，所述傳感器包括介質和位于整個所述介質中的全息圖，其中作為因與分析物反應而導致的介質的物理特性變化的結果，全息圖的光學特征發生變化，并且其中全息圖被形成為非平面鏡。本發明的第七方面是一種傳感器，該傳感器包括介質和位于整個所述介質中的全息圖，其中作為介質的物理特性變化的結果，全息圖的光學特征發生變化，并且其中全息圖被形成為隅角立方棱鏡。本發明的全息傳感器的設計能精確按預定反射入射光，本發明可以避免要求將光學檢測器“引入”傳感器。事實上，本發明提供的傳感器能從較大范圍的角度和距離內詢問。本發明的傳感器可以作為皮下植入物或在安全中如作為鑒定標記使用。
圖I和圖2是分別使用凹面鏡和隅角立方棱鏡制造本發明傳感器的示意圖。圖3是適用于詢問本發明傳感器的探針側視圖。圖4是圖I中傳感器被詢問的示意圖。圖5與圖4相同，但傳感器處于在皮下環境中。圖6是使用凹面鏡制成的本發明環形傳感器的平面圖。圖7是圖6中傳感器被詢問的示意圖。圖8和圖9是本發明不同實施例的平面圖，各傳感器都適合同時檢測多個分析物。圖10是作為凹面鏡形成的全息圖的射線圖。圖11是本發明傳感器制造方法的示意圖。圖12是示出本發明傳感器的角公差的圖。
具體實施例方式可以通過多種方式使全息圖形成非平面鏡。可以理解本文描述的不同技術可以單獨使用也可組合使用達到效果。本發明的優選實施例包括使用非平面鏡記錄全息圖。所選鏡的類型取決于其最終所得全息圖對入射光的要求效果。已知多種不同類型的非平面鏡，例如凹面鏡和凸面鏡(如半柱面形鏡)、反射珠(reflective beads)等等。或者鏡也可以棱鏡，例如隅角立方棱鏡(corner cube prism)、直角棱鏡(right angled prism)、波羅棱鏡、阿米西棱鏡、道威棱鏡、五棱鏡、菱形棱鏡或Lernan-Springer棱鏡在優選實施例中，鏡是凹面鏡。這允許制造對入射光有聚焦效應的傳感器。該傳感器潛在使用范圍廣，例如作為可以用光導纖維束方便詢問的小型皮下植入物來使用。另夕卜，為了克服光散射問題這一主要障礙，可以調整重播波長范圍擴展到近紅外區。使用凹面鏡的另一好處在于全息圖一般不會聚焦于多余的鏡面白光。而且如果從對面觀察，凹面全息圖對入射光有凹面鏡作用，反之亦然。另一優選實施例包括使用凸面鏡產生焦距增加并且對入射光有校準作用的全息圖。增加的焦距是要求遠程檢測如檢測燃料箱中的分析物的應用中特別需要的。
非平面鏡為能實現回射的類型，如隅角立方棱鏡。隅角立方棱鏡通常將達到一定(“公差”)角的進入棱鏡的任何光反射回光源，不考慮棱鏡的定位。因而使用隅角立方棱鏡記錄的全息圖對入射光可能有回射作用。由于不需在相對傳感器的特定位置放置光學檢測器，該傳感器是有優勢的。使用隅角立方棱鏡的另一益處是與常規傳感器相比較，該傳感器的任何響應都可在較大范圍角度(即較大角公差)內觀察到。回射全息傳感器可用于檢測有大氣層的星球的大氣情況(如濕度、溫度、二氧化碳或其他化學活性氣體水平)的變化。可用準直光束或其他遠程光源詢問傳感器實現檢測。該傳感器也可用于水下環境的檢測。例如可以檢測pH值或離子水平的變化。非平面鏡也可選擇由一個或多個反射珠組成。反射珠可用于增加反射光的強度，也可允許回射。優選鏡為電介質材料，因為電介質材料反射效率高。或者可以使用拋物面鏡，來減少色像差和球面像差的影響。
全息圖可在非平面支持介質中記錄。在這種情況下，鏡不必是非平面的，因為支持介質的幾何形狀決定了全息圖的幾何形狀。記錄過程中，可將透鏡和孔/障礙物放置在全息記錄材料前來記錄全息圖。記錄全息圖時，輻射首先經過孔/障礙物，之后經過記錄材料，最后到達鏡面。因而，最終獲得的全息圖有具體的衍射圖形。由于該效果會產生明確界定的特定圖案的重播光，因此該效果是需要的。也可使用透鏡來改變物體尺寸、校準光或給出圓波束。本發明使用的全息傳感器通常包括全息支持介質以及位于整個介質的全息圖。該支持介質與分析物相互作用，使得介質物理特性發生變化。該變化引起全息元件的光學特征如可偏振性、反射率、折射率或吸收度發生變化。在使用入射寬波帶、非電離電磁輻射重播全息圖時如果出現任何變化，那么可以觀察到如顏色或強度變化。有多種基本方法可以改變物理特性，因而改變光學特征。變化的物理特性優選為全息元件的尺寸。可以通過將特殊基團引入到支持基體，這些基團與分析物相互作用而發生構象變化，從而引起支持介質的擴大或縮小來實現該變化。該基團優選為分析物類的特定結合共軛物(binding conjugate)。改變物理特性的另一方法是改變支持介質中的活性水含量。全息傳感器可通過改進支持介質的成分用于多種分析物的檢測。該介質優選包括聚合物基體，必須優化其成分以包括獲得高質量膜，即有形成全息條文的一致的基體膜。基體可以由如(甲基)丙烯酰胺和/或(甲基)丙烯酸酯衍生的單體共聚作用形成，也可交聯形成。特別地，單體HEMA(甲基丙烯酸羥乙酯)容易聚合且可交聯。由于聚HEMA可膨脹、親水并且廣泛生物相容性，聚HEMA是通用的支持材料。全息支持介質的其他示例有明膠、卡帕卡拉膠、瓊膠、瓊脂糖、聚乙烯醇(PVA)、(粗略分類的)溶膠-凝膠、(粗略分類的)水凝膠以及丙烯酸脂。其他材料還有聚糖、蛋白質和蛋白質材料，低聚核苷酸、RNA、DNA、纖維素、醋酸纖維素、聚酰胺、聚酰亞胺、聚丙烯酰胺。明膠是用于支持感光類如鹵化銀微粒的標準基體材料。明膠也可通過鉻(III)離子光交聯于凝膠鏈上的羧基之間。可以根據W0-A-95/26499和Wo-A_99/63408公開的方法制備傳感器。附圖中圖I示出了為此目的所做的適當裝置。另一種方法是PCT/GB 04/00976所述的無銀雙聚合作用。這些說明書內容包括在此以供參考。現在參照附圖，僅通過示例說明本發明。圖I示出了如何使全息圖形成彎曲的凹面鏡。全息干版I和凹面鏡2處于曝光槽3中。使用擴散激光光束4記錄全息圖像。本文使用的術語“凹”是廣義上的，用于描述任何有聚焦作用的裝置。鏡面可以是如球面、非球面(如拋物線)，也可包括相互成一定角度的平面中心和邊緣部分。如果該鏡面是通過上述無銀雙聚合方法制成，圖I中的曝光槽中通常沒有液體。
除使用隅角立方棱鏡代替凹面鏡外，圖2示出的過程與圖I中的相似。如上所指，本發明的傳感器特別適用于與這樣的單元，如光導纖維，一起使用，光可以傳輸至并從全息圖傳輸出。圖3示出了末端為探針尖的適當纖維束。在特定實施例中，探針直徑約為5mm,有6個纖維內環，限定了直徑across)的圓,環繞著中心纖維。圖3示出的特定實施例中，中心纖維6連接到光譜儀讀出設備(未示出)，環形纖維7連接到白光光源(未示出)。另一裝置包括在光譜儀末端排成行的光導纖維，一個疊一個，與正常光譜狹縫重合或代替正常光譜狹縫。如果隅角立方棱鏡設備的入射光發散，那么回射光將繼續發散，可能會導致信號微弱。因而要求確保入射光準直或會聚。在使用圖3中光導纖維裝置的情況下，可以通過在纖維束前放置小凸面鏡(未示出)達到此效果。現在將特別參照圖4和圖5描述本發明的效用。圖4中示出了在無散射潔凈環境中使用光導纖維束9作為探針詢問用凹面鏡形成的傳感器8(如見圖I)。全息圖反射回入射光10，好像是從用于產生全息圖的凹面鏡中反射似的。但是，由于全息圖是用特定激光波長產生，全息圖實際成為單色凹面鏡。另外，如果在智能型聚合物中產生，反射光11的顏色將隨環境改變。另一選擇是用多個相互分離的激光波長來產生全息圖，使之能感應環境中的不同因素。例如，全息圖能同時作為綠、紅或藍凹面鏡使用，波長之間的分離應大于其作為傳感器使用時可能出現的波長偏移，給出比如一定范圍的綠光和紅光，但決不夠大到會因波長重疊引起結果不確定。可以通過使用分層結構并且每層包括不同材料的傳感器從而實現傳感器有能力對多個分析物做出相互分離的響應。或者傳感器也可以由整個深度中同心并互相鄰近的不同材料組成。全息凹面鏡圖像將彩色光聚焦至中心纖維。軸上工作的重要特色(不同于常規技術，使衍射光與鏡面反射光成一不同小角反射出)在于，當衍射波長改變時，其始終聚焦于中心位置。圖5示出的裝置與圖4相同，但處于漫射環境12中。這是皮下植入的類型。使用中，本發明不必跟蹤返回光強度的變化。如果因散射損失了 99%的光，那么能夠從相當高衍射植入的智能型全息圖中在剩下的1%中尋找小波長偏移將是令人滿意的。為了減少散射光的問題，用偏軸凹面鏡產生的全息圖有時是很有用的。為了用作植入物，需要用材料覆蓋傳感器來減少排異問題。這不會影響對身體中發現的分析物的檢測，如葡萄糖或離子。在本發明的特定實施例中，凹面鏡傳感器的中心被移除或覆蓋，使之成為環形。這在圖6和圖7中示出，圖7是在襯底14上詢問傳感器13。在此實施例中，如果探針16提供的光15聚集在環的中心(即，如同提供完整的凹面鏡)，并充分擴散覆蓋該區域，之后全息圖將繼續聚焦類單色光17于中心，如同為完整凹面鏡圖像所做的那樣。本發明其它實施例在圖8中示出，同心圓18、19、20說明了檢測多個分析物的裝置。圖9示出的全息傳感器包括兩部分21和22，每個都包括用隅角立方棱鏡制成的全息圖。部分21和22可以用于檢測多個不同分析物。兩部分將入射光反射回光源(如本文說明的光導纖維束)，因而可以使用傳感器同時檢測兩種分析物。圖10是使用凸面鏡記錄全息圖的射線圖。使用逐漸彎曲的凸面鏡可以允許制造增加焦距F并對入射光有校準作用的傳感器。
圖11示出了通過記錄全息圖后改變支持介質的幾何形狀獲得本發明的傳感器的方法。圖11中，平面傳感器23被鑄為彎曲表面24來提供有彎曲支持介質及其結果反射焦點的傳感器25 (示出的傳感器與彎曲表面接觸)。該方法可用于有使用平面或非平面鏡記錄的全息圖的傳感器。后一種情況下，焦點稍微偏心。以下示例說明了本發明。示例支持介質是通過聚合60摩爾％的丙烯酰胺、30摩爾％的甲基丙烯酰胺、4. 9摩爾％的亞甲基雙丙烯酰胺和5. I摩爾％的2-丙烯胺基-2-甲基-I-丙基磺酸混合物。每
O.1961克干成分使用二甲基亞砜(DMSO) (433毫升)的二羥甲基丙酸(DMPA)。每玻片使用100微升的混合物，在20. 7°C時聚合30分鐘。之后將硝酸銀(AgN03，0. 25M，400毫升)浸在聚合物中2分鐘，擦去多余部分，將玻片放在暖氣流中干燥5分鐘。然后使用4% (v/v體積百分濃度)QBS染料在I : I的甲醇含4%溴化鉀(v/v)的水混合溶液中晃動玻片I分鐘，之后在蒸餾水中沖洗，去除表面遺留的多余的溴化物離子和任何溴化銀。將該玻片聚合物的側下放在裝有兩個鄰近凹面鏡和60% (v/v)乙醇和水溶液的容器中，靜置5分鐘。之后使用激光記錄兩鏡的全息圖形。顯影圖像使用4 : I的Saxby A : Saxby B顯影劑,在去離子水中漂洗,放在停止液(5%醋酸{v/v})中，最后再放入去尚子水中漂洗。之后將玻片放在硫代硫Ife納中晃動5分鐘，去除多余銀和QBS染料。將玻片再放置于甲醇中大約20分鐘，去除遺留的染料。可使用由光導纖維束和12. 5mm聚焦透鏡組成的探針觀察全息圖。纖維束和透鏡之間的距離與透鏡和傳感器的距離相同，即25mm。通過使用可調整視角的裝置在恒定檢測距離下進行觀察。在每個角度記錄峰值衍射波長直至峰值消失在背景噪聲中。圖12示出了結果。在記錄過程中使用凹面鏡意味著可以在比常規傳感器更大范圍的角度內觀察傳感器的響應。
權利要求
1.一種傳感器，其包括介質和置于其中的全息圖，其中作為介質的物理特性變化的結果，全息圖的光學特征發生變化，并且其中全息圖被形成為非平面鏡。
2.根據權利要求I的傳感器，其中全息圖被形成為凹面鏡。
3.根據權利要求I的傳感器，其中全息圖被形成為凸面鏡。
4.根據權利要求I的傳感器，其中全息圖被形成為隅角立方棱鏡。
5.根據權利要求I至4中任一項的傳感器生產方法，包括在介質中使全息圖被形成為非平面鏡。
6.根據權利要求5的方法，其中全息圖是在非平面介質中記錄的。
7.根據權利要求6的方法，其中全息圖是使用平面鏡記錄的。
8.根據權利要求5或權利要求6的方法，其中全息圖是使用非平面鏡記錄的。
9.根據權利要求8的方法，其中全息圖是使用凹面鏡記錄的。
10.根據權利要求8的方法，其中全息圖是使用能實現回射的鏡面記錄的。
11.根據權利要求10的方法，其中全息圖是使用隅角立方棱鏡記錄的。
12.根據權利要求8的方法，其中全息圖是使用一個或多個反射珠記錄的。
13.根據權利要求5至12中任一項的方法，其中全息圖是使用放置在光源和介質之間的透鏡、孔、狹縫或障礙物、或其組合記錄的。
14.一種分析物的檢測方法，其包括使用光來遠程地詢問根據權利要求I至4中任一項的傳感器的全息元件；以及檢測傳感器光學特征的任何變化。
15.根據權利要求14的方法，其中光是準直的。
16.一種采用傳感器檢測分析物的方法，該傳感器包括介質和位于整個所述介質中的全息圖，其中作為因與分析物反應而導致的介質的物理特性變化的結果，全息圖的光學特征發生變化，并且其中全息圖被形成為非平面鏡， 其中，所述方法包括使用光來遠程地詢問所述傳感器的全息元件，其中所述詢問是通過用于將光傳輸至全息圖并從全息圖傳輸出的單元來進行的；以及檢測所述傳感器的光學特征的任何變化。
17.根據權利要求16的方法，其中全息圖被形成為凹面鏡。
18.根據權利要求16的方法，其中全息圖被形成為凸面鏡。
19.根據權利要求16的方法，其中全息圖被形成為隅角立方棱鏡。
20.根據權利要求16-19中任一項的方法，其中，所述傳感器用作植入物。
21.根據權利要求20的方法，其中，所述傳感器被覆蓋以材料，以減少排異問題。
22.根據權利要求16-19中任一項的方法，其中光是準直的。
23.根據權利要求16-19中任一項的方法，其中，所述單元具有光導纖維。
24.一種傳感器與光導纖維束的組合裝置，其中所述傳感器包括介質和位于整個所述介質中的全息圖，其中作為介質的物理特性變化的結果，全息圖的光學特征發生變化，并且其中全息圖被形成為非平面鏡，所述光導纖維束用于將光傳輸至所述全息圖并從所述全息圖傳輸出。
25.—種包括傳感器的皮下植入物，所述傳感器包括介質和位于整個所述介質中的全息圖，其中作為因與分析物反應而導致的介質的物理特性變化的結果，全息圖的光學特征發生變化，并且其中全息圖被形成為非平面鏡。
26.根據權利要求25的植入物，其中，所述傳感器被覆蓋以材料，以減少排異問題。
27.—種傳感器，該傳感器包括介質和位于整個所述介質中的全息圖，其中作為介質的物理特性變化的結果，全息圖的光學特征發生變化，并且其中全息圖被形成為隅角立方棱鏡。
全文摘要
本發明涉及全息傳感器、組合裝置、皮下植入物及相關方法。一種傳感器(8)，包括介質和位于整個介質中的全息圖，其中介質的物理特性變化導致全息圖的光學特征發生變化，并且其中全息圖被形成為非平面鏡。
文檔編號G01N21/47GK102768182SQ20111042841
公開日2012年11月7日 申請日期2004年7月21日 優先權日2003年7月21日
發明者克里斯托弗·R·洛, 凱瑟琳·A·多布森, 杰弗里·布萊思, 科林·A·B·戴維森, 薩蒂亞穆爾蒂·卡比蘭 申請人:劍橋企業有限公司, 斯瑪特全息攝影有限公司