Устройство для измерения биологических, биохимических, химических или физических параметров среды

 

Использование: неконтактные методы исследования характеристик среды, преимущественно биологического происхождения, и/или контактирующей с биологическими объектами среды, параметры которой определяют жизнедеятельность данных биологических объектов. Сущность изобретения: поток электромагнитного излучения возбуждает поверхностную электромагнитную волну в металлической пленке, расположенной на подложке из полупроводникового материала. При этом исследуемая среда находится в зоне распространения электромагнитного излучения и/или поверхностной электромагнитной волны. Сигнал, регистрируемый в цепи между металлической пленкой и полупроводниковым слоем, характеризует соответствующий параметр исследуемой среды. 13 з.п.ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к неконтактным методом исследования характеристик среды, преимущественно биологического происхождения и/или контактирующей с биологическими объектами среды, параметры которой определяют жизнедеятельность данных биологических объектов, и может быть использовано для определения состава и свойств сред, содержащих химические и биологические компоненты, в целях научных исследований и контроля технологических процессов, в частности в микробиологии, иммунологии, химии и биохимии, для экологического мониторинга.

Известно устройство для измерения параметров среды, содержащие электроразрядную ячейку и фоторегистрирующий блок. В результате регистрации формы короны исследователь может судить о величине некоторых параметров, соотнося полученную информацию с контрольными снимками.

Недостатком указанного устройства является то, что оно малопригодно для исследования биологических сред, поскольку при указанном воздействии на биологическую среду велика вероятность разрушения этой среды.

Также известно устройство, являющееся наиболее близким к заявленному, для измерения параметров среды, преимущественно для биологических или биофизических исследований, содержащее источник электромагнитного излучения, твердотельную структуру, состоящую из нанесенной на подложку металлической пленки для возбуждения в последней поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ), а также блок обработки информации.

Преимуществом данного устройства является то, что измерения параметров можно проводить без разрушения любой среды или без какого-либо нежелательного воздействия на среду.

Однако, в данном устройстве принципиальным является наличие специального встроенного канала измерения оптического сигнала, связанного с отраженным от металлической пленки пучком излучения. Этот канал содержит специальную оптическую схему и фотопреобразователь. Наличие такого канала делает устройство дорогим и сложным в эксплуатации, препятствует минимизации его габаритов. Кроме того, фиксированное расположение элементов упомянутого измерительного канала крайне суживает область применения данного устройства и диапазон измеряемых параметров. Переход же к гибким схемам канала измерения отраженного сигнала крайне усложняет устройство и его использование, снижает точность измерений. Перечисленные факторы являются существенными недостатками указанного устройства.

Целью изобретения является усовершенствование эксплуатационных параметров устройства, в частности его простоты, удобства, компактности и дешевизны за счет достижения возможности массового его изготовления на основе промышленных технологий микроэлектроники, а также повышение точности и разрешающей способности измерений, расширение области применимости и диапазона измеряемых параметров.

Указанная цель достигается тем, что подложка выполнена из полупроводникового материала, а входы блока обработки информации связаны непосредственно с металлической пленкой и подложкой. Пленка и подложка граничат между собой непосредственно либо через промежуточный слой, удельное сопротивление которого превышает удельное сопротивление упомянутой металлической пленки, причем поверхности раздела в обоих случаях могут быть частично или полностью пространственно модулированным.

Источник электромагнитного излучения может быть выполнен с возможностью перестройки по частоте излучения и/или с возможностью изменения направления распространения электромагнитной волны от этого источника относительно положения упомянутой твердотельной структуры.

Для обеспечения возбуждения ПЭВ поверхность металлической пленки со стороны, противоположной расположению слоя полупроводника, пространственно модулирована, либо устройство снабжено средством (например призмой) для обеспечения полного внутреннего отражения от его выходной грани. Данная грань может быть установлена с зазором относительно поверхности металлической пленки таким образом, что в упомянутом зазоре расположен слой вещества, показатель преломления которого меньше, чем показатель преломления среды упомянутого средства.

Для повышения точности и селективности измерений на или над поверхностью металлической пленки со стороны, противоположной расположению слоя полупроводника, может быть расположен слой вещества с заданными зависимостями его параметров от величины и типа внешнего воздействия, в частности от воздействия исследуемой среды. Устройство может быть снабжено по крайней мере одним слоем для связывания, по крайней мере одного компонента образца, причем данный слой расположен на или над поверхностью металлической пленки.

Устройство может привноситься в тестируемую среду либо быть снабжено объемом для тестируемой среды, часть которого, расположенную в зоне прохождения потока электромагнитного излучения, в ряде случаев целесообразно выполнять в виде клина.

Наряду с этим устройство может быть снабжено средством для поляризации потока электромагнитного излучения и оптическим волокном для подачи потока электромагнитного излучения.

Такое выполнение устройства дает возможность за счет совмещения металлической пленки с полупроводниковой подложкой исключить канал регистрации отраженного оптического сигнала и непосредственно осуществлять регистрацию электрического сигнала, соответствующего величинам исследуемых параметров среды. Это позволяет не только расширить сферу применения устройства, поскольку в данном случае существенно уменьшаются габариты устройства, но и значительно упростить работу с ним, повысить точность и диапазон измерений, резко снизить стоимость устройства. Устройство в целом (не считая блок регистрации) приобретает вид оптоэлектронной пары - гибридной схемы, части которой, излучающая и приемная, реализуемы на базе массового промышленного микроэлектронного производства.

На фиг. 1-3 схематически представлено заявленное устройство с вариантами возбуждения поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) посредством пространственной модуляции (решетки) на поверхности металла; на фиг. 4-8 - с вариантами возбуждения ПЭВ методом нарушенного полного внутреннего отражения, при этом на фиг. 1 тестируемая среда помещается в специальную кювету, одной из стенок которой является поверхность чувствительной твердотельной структуры; на фиг. 2 - в клиновидную кювету, съемную или не съемную, расположенную на некотором расстоянии от поверхности чувствительной твердотельной структуры; на фиг. 3 - то же без кюветы, когда измерительная головка сама вносится в тестируемую среду; на фиг. 4 - показана подача излучения со стороны полупроводниковой подложки, причем последняя представляет собой слой полупроводника, нанесенный на выходную грань призмы (измерительная головка может снабжаться либо не снабжаться кюветой); на фиг. 5 - клиновидная кювета, съемная или не съемная; на фиг. 6 - то же без кюветы, когда измерительная головка сама вносится в тестируемую среду; на фиг. 7 и 8 - случаи, когда полное внутреннее отражение излучения происходит от выходной границы тестируемой среды, причем на фиг. 7 показан вариант с кюветой для тестируемой среды; на фиг. 8 - измерительная головка сама вносится в тестируемую среду.

Устройство для измерения параметров среды содержит измерительную головку 1, блок 2 обработки и индикации информации и соединительные провода 3 и 4. Измерительная головка выполнена по принципу оптоэлектронной пары - источника и приемника излучения.

В качестве источника 5 электромагнитного излучения (как правило, видимого или инфракрасного диапазона) предпочтительно применять встроенный полупроводниковый излучатель или выходной торец оптического волокна, что обеспечивает компактность измерительной головки.

В качестве приемника излучения используется твердотельная структура 6. Основными ее элементами являются металлическая пленка 7 (например Ag, Au, Al, Cu) и полупроводниковая подложка 8 (например Si, GaAs, InP). Провод 3 соединен непосредственно с металлической пленкой 7, провод 4 - с подложкой 8 через омический контакт 9. Структура 6 может содержать также тонкий промежуточный слой 10 (например SiO₂) между пленкой 7 и подложкой 8, который иногда вводится для повышения электрического сопротивления перехода металл-полупроводник и не является существенным с точки зрения принципа работы предлагаемого устройства. Поверхность раздела металла 7 и полупроводника 8 либо хотя бы одна из поверхностей слоя 10 может быть пространственно модулированной (например периодически профилированной) для усиления рассеяния ПЭВ из металла 7 в полупроводник 8. Для возбуждения ПЭВ решеточным методом на поверхности металлической пленки 7, не обращенной к полупроводнику, эта поверхность выполнена пространственно модулированной, например, в виде синусоидальной решетки (фиг. 1-3). Для возбуждения ПЭВ методом нарушенного полного внутреннего отражения в схемах фиг. 5 и 6 используется призма 11, которая жестко крепится относительно структуры 6 согласно стандартной методике Отто возбуждения ПЭВ, образуя зазор 12, заполненный воздухом или иным диэлектриком (в частности самой тестируемой средой 13) с меньшим, чем у призмы, показателем преломления. Схемы фиг. 7 и 8 также используют метод Отто, но роль призмы выполняет расположенный на пути пучка излучения клиновидный слой тестируемой среды 13, показатель преломления у которой заведомо больше, чем у вещества в зазоре 12. В схеме фиг. 4 зазор между призмой 11 и пленкой 7 заполнен слоем полупроводникового материала, представляющего собой подложку 8. Полученная таким образом схема соответствует методике Кречманна возбуждения ПЭВ. В случае материала подложки 8, слабо поглощающего излучение источника 5, слой 8 и призма 11 могут представлять собой единый объем полупроводника.

Источник 5 излучения может быть регулируемым по частоте и (или) по направлению излучения относительно структуры 6. На фиг. 1-8 схематически показана возможность углового перемещения и отсчета угла посредством угловой шкалы 14 с нониусом 15. Посредством сканирования по частоте и перемещения по углу источника излучения могут осуществляться регулировка и настройка устройства, сниматься контрольные зависимости. Вместо угловой шкалы и нониуса целесообразно применять потенциометрический датчик углового положения источника излучения. Он позволяет преобразовать значение угла в вольтовый сигнал и, к примеру, на двухкоординатном самописце сразу получить зависимость информационного сигнала от угла при любом способе сканирования по углу. На выходе излучения из источника 5 могут быть предусмотрены поляризатор и микрообъектив.

Для всех вариантов устройства существенно, чтобы тестируемая среда 13 располагалась относительно структуры 6 со стороны металлической пленки. Во всех вариантах, кроме фиг. 4, среда 13 лежит на пути пучка излучения от источника 5 к пленке 7.

В схемах фиг. 1, 3 и 4 среда 13 может либо соприкасаться с пленкой 7, либо быть отделенной от нее промежуточными слоями 16 и 17. Материалом слоя 16 может являться вещество, реагирующее заданным образом на воздействие со стороны тестируемой среды 13, в частности, связывающее (адсорбирующее или абсорбирующее) компонент среды 13, параметры которого требуется измерить. Слой 17 может предназначаться для вспомогательных целей, например, для защиты пленки 7 или слоя 16 от агрессивных компонентов среды 13, для улучшения адгезии слоя 16 и пр.

В схемах фиг. 5-8 среда 13 не соприкасается с пленкой 7, за исключением случаев, когда в схемах фиг. 5 и 6 среда 13 имеет меньший, чем у призмы 11, показатель преломления и заполняет также и зазор 12. В этих случаях, а также в схемах фиг. 7 и 8 зазор 12 может содержать также слои 16 и 17 при соответствующих ограничениях на их толщину и показатели преломления.

В схемах фиг. 2 и 5, когда среда 13 удалена от пленки 7 на расстояния, значительно превышающие глубину проникновения ПЭВ, а среда на пути излучения перед кюветой 18 и после нее одна и та же, необходимо, чтобы слой среды 13, лежащий на пути излучения от источника 5 к пленке 7, имел форму клина. Форма клина обеспечивает зависимость условий возбуждения ПЭВ в пленке 7 от преломляющих свойств среды 13.

Энергия кванта излучения источника 5 может быть как больше, так и меньше ширины запрещенной зоны полупроводника.

Вариант устройства, приведенный на фиг. 4, целесообразен для исследования слабопрозрачных и рассеивающих сред аналогично, без пропускания сквозь них излучения, посредством только ПЭВ, плотность энергии которых экспоненциально убывает в среде 13.

Устройство работает следующим образом.

ПЭВ на поверхности пленки металла 7, не обращенной к подложке 8, возбуждаются путем преобразования p-поляризованной составляющей падающего электромагнитного излучения посредством решетки на данной поверхности пленки 7: Rn sin Θ + mG = R_пэв (1) или призмы 11 Rn_призмы sin Θ =R_пэв (2). где R = = - волновой вектор падающего излучения частотой ω и длиной волны λв вакууме; n - показатель преломления тестируемой среды 13; n_призмы - показатель преломления призмы 11 на фиг. 5 и 6, материала полупроводниковой подложки 8 на фиг. 4, среды 13 на фиг. 7 и 8; Θ - угол падения излучения на решетку в (1) (фиг. 1-3) или на выходную грань призмы в (2) фиг. 4-8); m - целое число m≠0); G = - обратный вектор решетки периода Λ ; R_пэв - волновой вектор ПЭВ.

В простейшем случае, на границе раздела двух сред - металла и диэлектрика - он описывается выражением: R_пэв= ± ^("+"_("-" ^для_для ^m>0,_m<0) (3) Здесь, в свою очередь, ε'_Me - действительная часть диэлектрической проницаемости металла на частоте ω (обычно ε_Me<0, | ε'_Me| >>1).

В схемах фиг. 1-4, когда не применяются дополнительные слои на поверхности пленки 7, R_пэв описывается выражением (3), но в схеме фиг. 2 вместо n надо подставить показатель преломления среды, граничащей с пленкой 7 (обычно - воздуха).

В схемах фиг. 5-8 без слоев 16 и 17 R_пэв описывается выражением (3) с заменой n на показатель преломления диэлектрика в зазоре 12 и не зависит от n среды (кроме случаев, когда среда 13 не изолирована от зазора 12).

В случае многослойной системы (пленка 7 - слои 16 и 17) зависимость R_пэв от (n среды описывается более сложным образом и выражена менее резко. R_пэв в такой системе сильно зависит от показателей преломления слоев 16 и 17.

Равенства (1) и (2) описывают положение резонансного максимума эффективности преобразования (доли энергии излучения, преобразованной в энергию ПЭВ) в зависимости от R, n и Θ . Зависимость положения резонанса от n среды в схемах фиг. 1, 3, 7 и 8, а также фиг. 5 и 6 в случаях заполнения средой 13 зазора 12 выражена как через тангенциальную составляющую Rn sinΘ волнового вектора падающего излучения, так и через R_пэв. В схемах фиг. 2, а также фиг. 5 и 6 с зазором 12, изолированным от среды 13 - только через Rn sinΘ , т. е. через величину и (или) направление волнового вектора падающего излучения. В схеме фиг. 4 - только через R_пэв). При изменении какого-либо из этих параметров (например n) изменяется положение резонанса (резонансные значения R и Θ ; при изменении же данного параметра в пределах ширины резонансной кривой резко изменяется величина эффективности преобразования.

В схемах, где величина эффективности преобразования зависит от тестируемой среды только через Rn sin Θ , данное устройство может применяться как датчик показателя преломления среды или параметра, напрямую с ним связанного (например концентрации известного компонента в растворе), т. е. как рефрактометрический датчик среды. Схемы с чувствительным слоем 16 дают, кроме того, возможность измерять через зависимость величины эффективности преобразования от оптических свойств этого слоя любой параметр среды 13, который может влиять на последние. В частности, соответствующий выбор материала слоя 16 позволяет измерять концентрацию требуемого компонента среды избирательным образом.

Возбуждение ПЭВ сопровождается генерацией электрического сигнала (напряжения либо тока), который через выводы 3 и 4 поступает на входы блока 2 обработки информации. Его величина напрямую связана с величиной эффективности преобразования излучения в ПЭВ. Имеются различные механизмы генерации такого сигнала. Если энергия кванта излучения больше ширины запрещенной зоны полупроводника, то возможно образование электронно-дырочных пар в полупроводнике посредством поглощения части энергии ПЭВ в полупроводнике непосредственно либо через излучательное рассеяние на границе металл - полупроводник. Если энергия кванта излучения меньше ширины запрещенной зоны полупроводника, то возможно образование горячих носителей в металле вследствие поглощения энергии ПЭВ и их эмиссия в полупроводник. В обоих случаях, ток носителей под действием поля потенциального барьера "металл - полупроводник" приводит к электрическому отклику, как в обычном фотоприемнике.

Таким образом, резонанс величины эффективности преобразования излучения в ПЭВ сопровождается резонансом электрического сигнала на входах блока 2 обработки. Исследуя величину и особенности зависимостей этого сигнала от ω, Θ либо от направления поляризации излучения при различных значениях параметров среды и сопоставляя полученные характеристики с контрольными, получают информацию о значениях упомянутых параметров. Кроме того, если устройство настроено так, что величина электрического сигнала соответствует склону резонансной кривой, то при изменениях исследуемого параметра среды, не выводящей систему за пределы резонанса, устройство работает как непосредственный оптоэлектронный преобразователь измеряемой величины в электрический сигнал. Проведя соответствующую градуировку, измеряемые значения можно непосредственно считывать с индикации блока 2.

Изобретение позволяет обеспечить быстрые и удобные измерения параметров сред компактными средствами, не использующими сложных оптических схем, пригодными не только в лабораторных, но и в производственных, полевых и бытовых условиях. Оно позволяет также реализовать недорогое производство оптоэлектронных средств измерения параметров сред на базе промышленной технологии микроэлектроники.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ, БИОХИМИЧЕСКИХ, ХИМИЧЕСКИХ ИЛИ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СРЕДЫ, содержащее источник электромагнитного излучения, твердотельную структуру, состоящую из нанесенной на подложку металлической пленки для возбуждения в последней поверхностной электромагнитной волны, а также блок обработки информации, отличающееся тем, что подложка выполнена из полупроводникового материала, а входы блока обработки информации связаны с металлической пленкой и подложкой.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поверхность раздела металлической пленки и полупроводникового материала выполнена частично или полностью пространственно модулированной.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что между металлической пленкой и полупроводниковым материалом расположен промежуточный слой, удельное сопротивление которого превышает удельное сопротивление упомянутой металлической пленки.

4. Устройство по пп.1 и 3, отличающееся тем, что по крайней мере одна из поверхностей упомянутого промежуточного слоя является частично или полностью пространственно модулированной.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник электромагнитного излучения выполнен с возможностью перестройки по частоте излучения.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью изменения положения упомянутой твердотельной структуры относительно направления распространения электромагнитной волны от источника электромагнитного излучения.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поверхность металлической пленки со стороны, противоположной расположению слоя полупроводника, пространственно модулирована.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено средством для обеспечения полного внутреннего отражения излучения от его выходной грани.

9. Устройство по пп.1 и 8, отличающееся тем, что выходная грань упомянутого средства образует зазор с поверхностью металлической пленки, в котором расположен слой вещества, чей показатель преломления меньше показателя преломления среды упомянутого средства.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на поверхности металлической пленки или над ней со стороны, противоположной расположению слоя полупроводника, расположен слой вещества с заданными зависимостями его параметров от величины и типа внешнего воздействия.

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено по крайней мере одним слоем для связывания по крайней мере одного компонента среды, причем данный слой расположен на поверхности металлической пленки или над ней.

12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено объемом для тестируемой среды, часть которого, расположенная в зоне прохождения потока электромагнитного излучения, выполнена в виде клина.

13. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено средством для поляризации потока электромагнитного излучения.

14. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено оптическим волокном для подачи потока электромагнитного излучения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8