用于光学检测的涂覆波导制造技术

本发明专利技术涉及一种波导，其中在波导的至少一部分中包含光栅，该波导包含涂层，该涂层包含聚合物，该聚合物包含脂肪族链，该脂肪族链具有亲水性侧链。本发明专利技术还涉及一种传感器系统，其包含前１０项权利要求中任一项所述的波导、光源、以及光检测器。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于光学检测的涂覆波导本专利技术涉及一种包含光栅的波导、一种包含该波导的光学传感器以及该传感器在 测量环境效应(environmental effect)中的应用。光学传感器具有许多优于电子测量系统的优势。光学传感器在例如难于接近和/ 或对人类有危害的环境中如在石油工业以及天然气工业中常见的环境中更加可靠，并且通 常不会受到电磁辐射的不利影响，该电磁辐射通常产生于例如电力电缆系统、感应炉或用 于核磁共振测量的设备，如MRI或NMR设备中。其他优势在于光学传感器在远距离易于操 作、其尺寸小、其柔性、和/或其可以形成由离散传感器(其全部可通过单个光学纤维分别 读出)的阵列构成的传感器系统。基于波导光栅的典型传感器系统例如详细描述于US 5 380 995、US 5 402 231、US 5 592 965、US 5 841 131、US 6 144 026、US 2005/0105841、US 7 038 190、US 2003/156287 中。这类传感器系统所基于的一个原理是，以波导的轴向应变作为待检测的环境效 应的结果，例如，通过在波导上使用一种涂层，其在环境效应的影响下变形。当引导特定 光谱的波导光栅在这种轴向应变下拉伸或收缩时，透射的光的光谱特性曲线(spectral pattern)和/或反射的光的光谱特性曲线(即，光谱响应)改变。光谱响应的这类改变在 测量时提供关于环境效应的定量信息。美国专利申请2005/0105841涉及在长周期光栅波导上使用一种聚乙烯亚胺 (PEI)单层涂层。该涂层在吸水的条件下膨胀，其使得包含这种涂层的传感器适合用于基于 该涂层的折射率的改变而测量相对湿度(RH)。然而，折射率的改变对于水的检测不是选择 性的，这使得传感器对于环境污染敏感。由于单层的缓慢沉积，该传感器的制备并不方便。 同时，响应时间相对较长，尤其是在湿度高的条件下更是如此，并且似乎非常高的湿度无法 被测出，这导致传感器的动态范围小。该涂层的折射率应根据特定波导光栅而调整，因此其 不能一般性用于其他的波导。因此，折射率传感器技术主要限于长周期光栅波导，而这种波 导不能用于长周期的多传感器波导(long multiple sensor waveguide)中。S J. L. Elster ^ ^ ife ； ( "Long Period Grating-based pH sensors for corrosion monitoring,Blacksburg,Virginia, 1999”)涉及长周期光栅波导上的一种聚丙 烯酸涂层，其用于构成PH传感器。这类pH传感器是基于H+浓度改变所造成的包层周围涂 层的折射率的改变。这类传感器具有类似于美国专利申请2005/0105841描述的相对湿度 传感器的缺点。US 7 038 190涉及一种利用医用级聚氨酯泡沫或聚酰亚胺来感应湿度的光学湿 度传感器。其中，该申请描述了提供具有环氧丙稀酸酯的纤维，其具有与聚酰亚胺类似的热 响应，但其对于湿度相对不敏感。因此，与聚酰亚胺组合使用，其可用作纤维光栅过滤器，以 校准涂覆有聚酰亚胺的光栅由于温度的改变所导致的信号的改变。由于聚合物层的厚度， 响应时间长(数小时)。没有关于该传感器的制备及特定性能的信息。Xiamomei Liu 等人(Sensors and Actuators B 96 2003,468-472)描述了一种 具有聚丙烯酰胺水凝胶涂层的基于纤维布拉格光栅的传感器。膨胀的水凝胶一经与NaCl溶液接触即收缩，因此建议将该传感器用于直接测定NaCl的浓度。所述涂层作为一种水凝 胶，使得传感器容易受到损坏，这是由于聚丙烯酰胺水凝胶具有相对低的硬度。此外，这种 传感器包含一种厚水凝胶层，其不能应用于细管中。本专利技术的一个目的是提供一种包含光栅的新型波导，该波导可用于光学传感器 中，尤其用于利用布拉格反射或基于长周期光栅的检测机制的传感器中，其可用作已知波 导光栅的一种替代，尤其用于测量湿度或测量其他分析物、或其他环境条件(的变化)，如 物理参数(的变化)。本专利技术的一个具体目的是提供一种经改进的新型波导，尤其是包含该 波导的检测系统被改善，因为其提供了如下至少一种优点对于特定环境效应更高的选择 性、更大的动态范围、更高的准确度、更强的稳健性(robustness)、更低的检测极限、更高的 灵敏度、用单一波导重复测量方面更高的再现性、以及更高的制造再现性(即，来自不同波 导的结果，尤其是源自不同制造批次的结果提高)。用于测量某种环境条件的检测系统的选择性是指在所选环境条件下，不受其他 条件变化的影响，检测器对于变化的特定反应的程度。传感器系统的动态范围是指该传感器系统可测量的可变量的范围，该范围的限值 通过该传感器系统可测量的可变量的最小值和最大值来限定。检测系统的准确度是该检测系统的读数或指示对于所测量的实际量值的接近度。稳健性是检测系统对于检测系统中 的变化、来自于特定样本的影响、以及来自于 环境而非条件的影响(并非对于待测条件中的变化)的耐受程度。因此，由于系统更加稳 定，测量信号中的本底噪声将会更小或者出现的假象(artefacts)，如波峰、基线漂移(base line drift)和/或基线偏离(base line shift)将会更少。检测极限是环境条件中可测量的最小变化。其通过信号噪声比(信噪比)确定。 一般地，对于具体的物质，检测极限设定为信号噪声比为2(如果噪声以峰间值(peak to peak)表示)或4(如果噪声通过噪声均方根来表示(RMS噪声))。检测系统的灵敏度是测 量信号相对于待测物质的浓度或量的特定变化的改变程度。检测系统的灵敏度是通过该检测系统能测得的环境条件(如物理参数或化学参 数)的最小变化。人们已经发现，通过提供一种具有涂层的波导可实现这些目的中的一种或多种， 其中该涂层包含在链上具有特定部分的聚合物。因此，本专利技术涉及一种的波导，在该波导的至少一部分中包含光栅，该波导包含涂 层，该涂层包含一种聚合物，该聚合物包含一种脂肪族链，该脂肪族链具有官能性侧链。该 涂层优选是能够与将要检测其存在与否的化学物质(分析物)相互作用的涂层，通过这种 相互作用，该波导的轴向应变(axial strain)改变。特别地，本专利技术涉及一种波导，在该波导至少一部分中包含光栅，该波导包含一种 涂层，该涂层包含一种聚合物，该聚合物包含一种脂肪族链，该脂肪族链具有官能性侧链、 优选亲水性侧链，该侧链包含选自杂环烷基部分的至少一个部分(moiety)。本文中使用的术语“官能性”表示能够与一种受关注的分析物相互作用、或者能够 使聚合物具有使聚合物对环境条件(的变化)敏感的性质。优选地，官能性侧链是亲水性 侧链。侧链可适用于特定的应用，例如用于改善对测量特定分析物或特定物理参数(的变化)的选择性。为了本专利技术的目的，术语波导用于光学波导。光学波导是一种物理结构，其在至少 部分光谱中，即，在由电磁谱的红外区、可见区以及紫外区构成的光谱的至少一部分中，引 导电磁波。一般地，波导为细长形式。常规类型的波导包括光学纤维(光纤)(例如如上引用 的现有技术中所提到的)，以及矩形波导。波导在商业上可通过许多来源获得。其本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种波导，在所述波导的至少一部分中包含光栅，所述波导包含涂层，所述涂层包含聚合物，所述聚合物包含脂肪族链，所述脂肪链具有官能性、优选亲水性侧链，所述侧链包含至少一个选自杂环烷基部分构成的组的部分。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿耶恩布尔斯马，塔蒂亚娜约翰娜朱迪思蒂尔林，特奥多鲁斯亨利克斯科内鲁斯潘肯，郑伦佳，
申请(专利权)人：荷兰应用科学研究会TNO，
类型：发明
国别省市：NL[荷兰]