用于比较两种液体的光学特性的方法和设备技术

为了比较第一流体的第一光学特性和第二流体的第二光学特性，具有光栅常数的第一透明光栅由第一流体构成，也具有所述光栅常数的第二透明光栅由第二流体构成。第二透明光栅被布置为相对于第一透明光栅横向偏移小于所述光栅常数的45％，使得第一透明光栅和第二透明光栅的光栅条被并排布置。相干光被引导到第一透明光栅和第二透明光栅上，使得穿过第一透明光栅和第二透明光栅的光栅条的光形成包括强度最大值的衍射图案。测量并相互比较大于零的相同阶的两个强度最大值的两个光强度。

Methods and devices for comparing the optical properties of two liquids

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于比较两种液体的光学特性的方法和设备
本专利技术涉及一种用于比较第一液体的第一光学特性和第二液体的第二光学特性的方法和设备。特别地，第一光学特性和第二光学特性可分别包括第一液体的第一折射率和第二液体的第二折射率。
技术介绍
折射率是基本量，是物质的物理和化学特性所固有的。折射率的测量在制药工业1、环境监测2、掺杂检测3-5以及生物感测6-10中被广泛使用。用于折射率测量的若干种技术已在之前在文献中进行了描述，随着进一步小型化的推动，许多微流控技术已经出现。这些方法的简单概要在表1中进行了概述。对于许多应用，需要测量折射率的很容易被非特定背景信号淹没的微小改变。例如，经由折射率的浓度的测量需要精确的温度控制，基于折射率的生物传感器需要对非特定结合或大量折射率改变不敏感。使用两个装置的差分测量提供了部分补救。然而，由于独立传感器之间的对正误差、制造公差和其他差异，可实现的背景抑制经常受限制。衍射光学微装置开辟了一条通过光波干涉直接消除背景的差分感测的途径。这些装置的一个关键优点是感兴趣的信号和参考信号紧密集成并位于相同的光束路径上。这一原理以前曾用于微观力学中的位移感测11-13、用于化学感测14-16和用于生物感测17-19。在化学和生物感测中，已经基于将捕获分子或水凝胶微图案化为刺激响应的相位光栅提出了很多强大的装置概念17，20。目标分子的结合或水凝胶的膨胀改变了激光穿过元件的波前，这可以经由在远场中衍射图案的后续改变来读出。如果具有不同方向的多个光栅被叠加，则通过这个原理的多路复用是可行的21，22。表1：微流体折射率测量方法
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种用于比较第一流体的第一光学特性和第二流体的第二光学特性的方法和设备，所述方法和设备允许直接实施，而又允许、例如第一流体的折射率和第二流体的折射率二者关于符号和大小的差异的精确测量。技术方案根据本专利技术，通过独立权利要求的特征来解决本专利技术的目的。在从属权利要求中将看到根据本专利技术的另外的优选实施例。在权利要求中，术语“流体”可指气体或气溶胶。更特别地，它指的是液体或基于液体的悬浮液。特别地，第一光学特性和第二光学特性可分别包括第一流体的第一折射率和第二流体的第二折射率或分别由第一流体的第一折射率和第二流体的第二折射率限定。在另一实施例中，第一光学特性和第二光学特性可由吸光度和/或反射率和/或混浊度来确定。第二透明光栅被布置为相对于第一透明光栅横向偏移小于光栅常数的45％意味着第一光栅和第二光栅的总体布置结构相对于任何光栅条都不对称。因此，第一光栅和第二光栅二者的光栅常数也是它们的总体布置结构的光栅常数，并且第一透明光栅和第二透明光栅的并排布置的每对光栅条仅形成总体布置结构的单位晶格。由于该单位晶格的不对称性，第一流体和第二流体之间的光学特性的差异对衍射图案的最大值的影响也是不对称的。因此，衍射图案左侧或右侧的最大值的光强度是否相对于另一侧的最大值的光强度增大取决于光学特性的变化的符号。因此，在光学特性由第一流体和第二流体的折射率确定的情况下，第一流体和第二流体的折射率的差的符号将是决定性的。此外，增长的幅度与光学特性的变化幅度、例如与第一流体和第二流体的折射率的差直接相关。特别地，第一流体的第一折射率和第二流体的第二折射率之间的折射率差可以由同级的两个强度最大值的两个光强度之差除以同级的两个强度最大值的两个光强度之和并且再除以常数来计算。对于本专利技术的各个实施例，这个常数将是固定的。在一个实施例中，第一流体和第二流体是透明的或清澈的液体或气体。在这种情况下，第一流体和第二流体的折射率将决定它们的光学特性。在另一实施例中，第一流体和第二流体是两种包含细胞的生物流体。在这种情况下，细胞悬浮液的反射率和/或吸光度和/或混浊度和/或折射率将决定第一流体和第二流体的光学特性。生物流体中的细胞可能是死的或活的。在活细胞的情况下，可以通过反复将相干光引导到第一透明光栅和第二透明光栅上并测量同级的两个强度最大值的两个光强度来监测两种生物流体中的细胞的时间演化。关于用于比较第一流体的第一光学特性和第二流体的第二光学特性的设备，在微流控芯片中的所有平行流体通道将被布置在一个公共平面中。如果术语“间隔”用于定义第一组通道或第二组通道，则该术语不是指各组通道的自由横向距离，而是指包括通道宽度的重复或周期长度。微流控芯片具有反射前表面或透明的微流控芯片具有反射相干光的反射后表面可通过各种方式实现，例如，所述方式包括反射涂层或界面以及由相干光以超过全反射的临界角的角度撞击的抛光表面。微流控芯片中的流体通道通常将是真正的纳米通道、即沿垂直于其公共平面的方向的深度小于1μm。然而，如果术语“纳米通道”用于下文中，其仅意图指示不大于10μm的小深度的流体通道，而不意图将这些通道限制为真正的纳米通道。附图说明在下文中，关于附图中示出的优选示例性实施例来进一步解释和描述本专利技术。图1是示出具有非对称布置结构的检测通道和参考通道的具有纳米通道的衍射光栅以及反射的衍射图案的强度分布的示意图。参考通道、检测通道和透明板的实体壁分别用黄色、绿色和灰色表示。通道可以是开放的或封闭的。在不失一般性的情况下，在此它们是开放的，但它们也可使用透明材料制成的盖来封闭。图2A)是纳米流体不对称光栅装置的制造工艺的示意图。B)是开放纳米通道和供应通孔的SEM倾斜俯视图。C)是玻璃晶片与绝缘体上硅(SOI:Silicon-on-Insulator)晶片粘合后形成的290nm深的纳米通道的SEM剖面图。D)是纳米流体光栅的光学俯视图图像。通过4μm厚的硅装置层的光的传输使背面的馈送通道呈现红色。图3是：A)信号S2作为测量时间的函数的示图。Sm(其中m是整数)的定义是根据等式6中的模式强度来规定的。当甘油溶液被引入检测纳米通道时，观察到S2发生了突变。B)是实验校准曲线和作为Δn的函数的小的Δn的解析解。(装置尺寸w＝3μm，I＝4μm，P＝18μm)。图4示出了共模抑制的实验验证。阶段1：参考和检测通道中的DI水，T＝25℃。阶段2：参考通道中的2％甘油溶液，T＝25℃。阶段3：参考通道中的2％甘油溶液，T＝33℃。阶段4：参考和检测通道中的DI水，T＝33℃。(装置尺寸w＝4μm，I＝6μm，P＝18μm)。图5示出了由于连续样品测量(水和2％甘油)以及检测通道中亲和素的蛋白质积累的测量而引起的信号变化(Si)。(装置尺寸w＝4μm，I＝6μm，P＝18μm)。图6示出了测量设置的实施例。当准直激光束(l＝635nm，废料直径360μm)撞击纳米流体光栅然后反射回镜子上和记录强度的数码相机(例如：ThorlabsDCU223M或AndoriXonUltra或AndorNeo或PCOEdge4.2或具有至少两个检测元件或像素的其他检测器)中时，产生观察到的衍射图案。镜子是由其上具有反射层的玻璃晶片制成的，反射层在这里由本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种比较第一流体的第一光学特性和第二流体的第二光学特性的方法，/n-其中，具有光栅常数的第一透明光栅由第一流体构成，/n-其中，也具有所述光栅常数的第二透明光栅由第二流体构成，/n-其中，第二透明光栅被布置为相对于第一透明光栅横向偏移小于所述光栅常数的45％，使得第一透明光栅和第二透明光栅的光栅条被并排布置，/n-其中，相干光被引导到第一透明光栅和第二透明光栅上，使得穿过第一透明光栅和第二透明光栅的光栅条的光形成包括强度最大值的衍射图案，/n-其中，测量并相互比较大于零的相同阶的两个强度最大值的两个光强度。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171018 EP 17197007.21.一种比较第一流体的第一光学特性和第二流体的第二光学特性的方法，
-其中，具有光栅常数的第一透明光栅由第一流体构成，
-其中，也具有所述光栅常数的第二透明光栅由第二流体构成，
-其中，第二透明光栅被布置为相对于第一透明光栅横向偏移小于所述光栅常数的45％，使得第一透明光栅和第二透明光栅的光栅条被并排布置，
-其中，相干光被引导到第一透明光栅和第二透明光栅上，使得穿过第一透明光栅和第二透明光栅的光栅条的光形成包括强度最大值的衍射图案，
-其中，测量并相互比较大于零的相同阶的两个强度最大值的两个光强度。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，测量并相互比较一阶或二阶的两个强度最大值的两个光强度。


3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，从相同阶的两个强度最大值的两个光强度计算第一流体的第一折射率和第二流体的第二折射率之间的折射率差。


4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，由相同阶的两个强度最大值的两个光强度之差除以相同阶的两个强度最大值的两个光强度之和再除以常数来计算折射率差。


5.根据前述权利要求中的任意一项所述的方法，其特征在于，第一流体和第二流体中的至少一个包含生物细胞。


6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过重复地将相干光引导到第一透明光栅和第二透明光栅上并测量相同阶的两个强度最大值的两个光强度来监测两种流体的时间演化。


7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一透明光栅和第二透明光栅分别通过在微流控芯片中的第一组平行流体通道和第二组平行流体通道填充第一流体和第二流体而构成。


8.一种用于比较第一流体的第一光学特性和第二流体的第二光学特性的设备，所述设备包括：
-微流控芯片，其中在透明盖板下设置有第一组平行流体通道和第二组平行流体通道，
-其中，第一组的流体通道以固定间距布置，并且它们的一端连接到第一流体供应通道，它们的另一端连接到流体排出通道，
-其中，第二组的流体通道以固定间距布置，并且它们的一端连接到第...

【专利技术属性】
技术研发人员：T·P·伯格，M·巴苏，F·普尔，A·迪策尔，
申请(专利权)人：马克斯普朗克科学促进学会，
类型：发明
国别省市：德国;DE