Способ оптического детектирования присоединения вещественного компонента к сенсорному слою на основе биологического, химического или физического взаимодействия и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к методам и средствам оптического детектирования вещественных компонентов. Заявленный способ осуществляется в устройстве, содержащем оптически сопряженные сенсорный слой, расположенный на прозрачной подложке с присоединенным вещественным компонентом когерентный источник светового излучения, матричное фотоприемное устройство и светоделительный элемент. Устройство дополнительно снабжено тонким частично пропускающим слоем, рассеивающим или поглощающим энергию электрического поля стоячей световой волны, толщиной не более λ/2, где λ - длина светового излучения, и наклонно расположенным между прозрачной подложкой и когерентным источником светового излучения под углом Θ, определяемым из соотношения sinΘ = λ/2d, где Θ - угол между тонким частично пропускающим слоем и волновым фронтом световой волны, d - период интерференционных полос, а сенсорный слой имеет толщину не более λ/4. На сенсорный слой с присоединенным вещественным компонентом воздействуют стоячей световой волной, создают систему интерференционных полос, которую проецируют через светоделительный элемент на матричное фотоприемное устройство. Технический результат - возможность проводить многоканальное оптическое детектирование в режиме реального времени и увеличение количества детектируемых каналов за счет использования информационных возможностей стоячей световой волны. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретения относятся к методам и средствам оптического детектирования вещественных компонентов.

Известен способ оптического детектирования присоединения вещественного компонента к сенсорному слою на основе биологического, химического или физического взаимодействия [Патент США 5999262, МПК G 01 B 9/02, НКИ США 356/357, 1999].

В данном способе структурные изменения материала сенсорного слоя детектируют в нескольких пространственно разделенных областях площади сенсорного слоя. При этом регистрация осуществляется последовательно по времени, что следует отнести к недостаткам данного способа.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является способ оптического детектирования присоединения вещественного компонента к сенсорному слою на основе биологического, химического или физического взаимодействия, включающий отражение от расположенного на прозрачной подложке сенсорного слоя коллимированного монохроматического излучения, падающего от источника света, с последующим измерением интенсивности упомянутого монохроматического излучения на матричном фотоприемном устройстве [Международная заявка WO 01/88536 А1, МПК 7 G 01 N 33/53, опубл. 22.11.2001 (прототип)].

К недостаткам данного способа следует отнести сложность многоканального оптического детектирования присоединения вещественного компонента к сенсорному слою на основе биологического, химического или физического взаимодействия.

Задачей изобретения является проведение многоканального оптического детектирования присоединения вещественного компонента к сенсорному слою на основе биологического, химического или физического взаимодействия.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе оптического детектирования присоединения вещественного компонента к сенсорному слою на основе биологического, химического или физического взаимодействия, включающем отражение от расположенного на прозрачной подложке сенсорного слоя коллимированного монохроматического излучения, падающего от источника света с последующим измерением интенсивности упомянутого монохроматического излучения на матричном фотоприемном устройстве, на сенсорный слой, толщину которого выбирают не более λ/4, где λ - длина светового излучения, воздействуют стоячей световой волной, при этом в пространстве, занимаемом стоячей световой волной, создают систему интерференционных полос стоячей световой волны путем наклонного расположения между прозрачной подложкой и источником света тонкого частично пропускающего слоя, рассеивающего или поглощающего энергию электрического поля стоячей световой волны, толщиной не более λ/2, при этом угол Θ между плоскостью тонкого частично пропускающего слоя и волновым фронтом упомянутого монохроматического излучения выбирают из соотношения sinΘ = λ/2d, где d - период упомянутых интерференционных полос, упомянутую систему интерференционных полос проецируют через светоделительный элемент на упомянутое матричное фотоприемное устройство и используют монохроматическое излучение с длиной когерентности не менее удвоенного расстояния от сенсорного слоя до светоделительного элемента.

При этом в качестве сенсорного слоя возможно использование одной из поверхностей упомянутой прозрачной подложки.

При этом на расположенный на упомянутой прозрачной подложке упомянутый сенсорный слой, толщиной не более λ/4, где λ - длина светового излучения, наносят один или несколько дополнительных сенсорных слоев.

При этом в пространстве, занимаемом стоячей световой волной, создают дополнительную систему интерференционных полос стоячей световой волны путем наклонного расположения между прозрачной подложкой и источником света дополнительного тонкого частично пропускающего слоя, рассеивающего или поглощающего энергию электрического поля стоячей световой волны, толщиной не более λ/2, , где λ - длина светового излучения, под углом Θ₂, определяемым из соотношения sinΘ₂ = λ/2d₂, где Θ₂ - угол между дополнительным тонким частично пропускающим слоем и волновым фронтом световой волны, d₂ - период интерференционных полос, система которых образуется в дополнительном тонком частично пропускающем слое при воздействии стоячей световой волны, угол наклона Θ₁ между плоскостью основного тонкого частично пропускающего слоя и плоскостью упомянутой прозрачной подложки задают относительно угла наклона Θ₂ между плоскостью дополнительного тонкого частично пропускающего слоя и плоскостью упомянутой прозрачной подложки в диапазоне 0^o-180^o, плоскость дополнительного тонкого частично пропускающего слоя разворачивают по оси, совпадающей с направлением распространения светового излучения, относительно плоскости основного тонкого частично пропускающего слоя на величину угла Ω, лежащего в диапазоне 0,1^o-90^o, а изображения полученных таким образом двух систем интерференционных полос проецируют через упомянутый светоделительный элемент на упомянутое матричное фотоприемное устройство.

Известно устройство для оптического детектирования присоединения, по меньшей мере, одного вещественного компонента к материалу, расположенному на поверхности или в толще сенсорного слоя, на основе биологического, химического или физического взаимодействия [Патент Германии 4200088 С2, МПК G 01 N 21/45, 1997].

В данном устройстве детектирование осуществляют в нескольких пространственно разделенных областях площади сенсорного слоя и последовательно по времени, что следует отнести к недостаткам данного устройства.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является устройство для оптического детектирования присоединения вещественного компонента к сенсорному слою на основе биологического, химического или физического взаимодействия, содержащее оптически сопряженные сенсорный слой, расположенный на прозрачной подложке, когерентный источник светового излучения, матричное фотоприемное устройство и светоделительный элемент, расположенный между когерентным источником светового излучения и сенсорным слоем и оптически сопряженный с матричным фотоприемным устройством [Международная заявка WO 01/88536 А1, МПК 7 G 01 N 33/53, опубл. 22.11.2001 (прототип)].

К недостаткам данного устройства следует отнести сложность многоканального оптического детектирования присоединения вещественного компонента к сенсорному слою при передаче светового излучения по оптическому волокну.

Задачей изобретения является упрощение схемы многоканального оптического детектирования, проведение параллельного многоканального детектирования в режиме реального времени и увеличение количества детектируемых каналов за счет использования информационных возможностей стоячей световой волны.

Поставленная задача может быть решена за счет того, что устройство для оптического детектирования присоединения вещественного компонента к сенсорному слою на основе биологического, химического или физического взаимодействия, содержащее оптически сопряженные сенсорный слой, расположенный на прозрачной подложке, когерентный источник светового излучения, матричное фотоприемное устройство и светоделительный элемент, расположенный между когерентным источником светового излучения и сенсорным слоем и оптически сопряженный с матричным фотоприемным устройством, дополнительно снабжено тонким частично пропускающим слоем, рассеивающим или поглощающим энергию электрического поля стоячей световой волны, толщиной не более λ/2, где λ - длина светового излучения, и наклонно расположенным между упомянутой прозрачной подложкой и упомянутым когерентным источником светового излучения под углом Θ, определяемым из соотношения sinΘ = λ/2d, , где Θ - угол между тонким частично пропускающим слоем и волновым фронтом световой волны, d - период интерференционных полос, система которых образуется в тонком частично пропускающем слое при воздействии стоячей световой волны, а упомянутый сенсорный слой имеет толщину не более λ/4.

При этом устройство для оптического детектирования присоединения вещественного компонента к сенсорному слою на основе биологического, химического или физического взаимодействия может быть снабжено дополнительным тонким частично пропускающим слоем, рассеивающим или поглощающим энергию электрического поля стоячей световой волны, толщиной не более λ/2, где λ - длина светового излучения, и наклонно расположенным между упомянутой прозрачной подложкой и упомянутым когерентным источником светового излучения под углом Θ₂, определяемым из соотношения sinΘ₂ = λ/2d₂, где Θ₂ - угол между дополнительным тонким частично пропускающим слоем и волновым фронтом световой волны, d₂ - период интерференционных полос, система которых образуется в дополнительном тонком частично пропускающем слое при воздействии стоячей световой волны, при этом дополнительный тонкий частично пропускающий слой выполнен с разворотом его плоскости по оптической оси устройства относительно плоскости основного тонкого частично пропускающего слоя.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены схема устройства для оптического детектирования присоединения вещественного компонента к сенсорному слою на основе биологического, химического или физического взаимодействия (фиг.1), схема расположения тонких слоев относительно друг друга при использовании оптических клиньев (фиг.2) и изображения двух систем интерференционных полос, проецируемых через светоделительный элемент на матричное фотоприемное устройство (фиг.3).

Устройство для оптического детектирования присоединения вещественного компонента к сенсорному слою на основе биологического, химического или физического взаимодействия (фиг.1) содержит оптически сопряженные сенсорный слой 1, расположенный на прозрачной подложке 2, когерентный источник 3 светового излучения, матричное фотоприемное устройство 4 и светоделительный элемент 5, расположенный между когерентным источником 3 светового излучения и сенсорным слоем 1, и оптически сопряженный с матричным фотоприемным устройством 4. Устройство дополнительно снабжено тонким частично пропускающим слоем 6, рассеивающим или поглощающим энергию электрического поля стоячей световой волны, толщиной не более λ/2, где λ - длина светового излучения, и наклонно расположенным между прозрачной подложкой 2 и когерентным источником 3 светового излучения под углом Θ₂, определяемым из соотношения sinΘ₂ = λ/2d₂, где Θ₂ - угол между тонким частично пропускающим слоем 6 и волновым фронтом световой волны, d₂ - период интерференционных полос 7, система которых образуется в тонком частично пропускающем слое 6 при воздействии стоячей световой волны, а сенсорный слой 1 имеет толщину не более λ/4.

Устройство для оптического детектирования присоединения вещественного компонента к сенсорному слою на основе биологического, химического или физического взаимодействия также снабжено дополнительным тонким частично пропускающим слоем 8, рассеивающим или поглощающим энергию электрического поля стоячей световой волны, толщиной не более λ/2, где λ - длина светового излучения, и наклонно расположенным между прозрачной подложкой 2 и когерентным источником 3 светового излучения под углом Θ₂, определяемым из соотношения sinΘ₂ = λ/2d₂, где Θ₂ - угол между дополнительным тонким частично пропускающим слоем 8 и волновым фронтом световой волны, d₂ - период интерференционных полос 9, система которых образуется в дополнительном тонком частично пропускающем слое 8 при воздействии стоячей световой волны, при этом дополнительный тонкий частично пропускающий слой 8 выполнен с разворотом его плоскости по оптической оси устройства относительно плоскости основного тонкого частично пропускающего слоя 6.

В качестве когерентного источника 3 светового излучения используют лазер. Для получения светового пятна большого диаметра устройство снабжено телескопом 10, расположенным между когерентным источником 3 светового излучения и светоделительным элементом 5. Тонкие частично пропускающие слои 6 и 8 могут быть нанесены на поверхности оптических клиньев 11 и 12. При этом углы ϕ₁ и ϕ₂ между плоскостью тонкого частично пропускающего слоя 6 и 8 и плоскостью сенсорного слоя 1 задают из соотношения sinΘ = λ/2dn, где d - период интерференционных полос 7 и 9, n - показатель преломления материала оптического клина.

Выходные сигналы с матричного фотоприемного устройства 4 поступают на вход системного блока 13. Сенсорный слой 1 нанесен на прозрачную подложку 2 в виде тонкого покрытия, выполненного из материала, диэлектрическая проницаемость которого и/или коэффициент отражения на границе присоединения определяемого вещественного компонента изменяется в зависимости от концентрации указанного компонента.

Заявленный способ оптического детектирования присоединения вещественного компонента к сенсорному материалу на основе биологического, химического или физического взаимодействия осуществляется на настоящем устройстве следующим образом.

Световой поток от когерентного источника 3 светового излучения поступает на сенсорный слой 1, частично отражается от него и в виде стоячей световой волны поступает на тонкие частично пропускающие слои 6 и 8. За счет того что тонкие частично пропускающие слои 6 и 8 рассеивают или поглощают энергию электрического поля стоячей световой волны и расположены наклонно, при этом угол Θ между плоскостью каждого тонкого частично пропускающего слоя и волновым фронтом световой волны задан из соотношения: sinΘ = λ/2d, где λ - длина световой волны; d - период интерференционных полос, в них образуются две системы интерференционных полос. Так как плоскость тонкого частично пропускающего слоя 6 развернута по оси, совпадающей с направлением распространения светового излучения, относительно плоскости тонкого частично пропускающего слоя 8 на угол 90^o, эти системы являются ортогональными. Полученная таким образом сетка из чередующихся темных и светлых полос проецируется с помощью светоделительного элемента 5 на матричное фотоприемное устройство 4. Выходные сигналы с матричного фотоприемного устройства 4 поступают на вход системного блока 13. При этом каждая клетка в сетке из чередующихся темных и светлых полос представляет собой выделенный канал для передачи оптической информации с соответствующего участка сенсорного слоя 1 на матричное фотоприемное устройство 4. Количество таких выделенных каналов определяется заданными периодами d₁ и d₂, систем интерференционных полос 7 и 9 (фиг.3).

Оптическое детектирование присоединения вещественного компонента к сенсорному материалу на основе биологического, химического или физического взаимодействия осуществляется на настоящем устройстве следующим образом. При присоединении вещественного компонента к сенсорному слою 1 на участке, соответствующем выделенной клетке, происходит изменение диэлектрической проницаемости материала сенсорного слоя 1 и/или коэффициента отражения на границе присоединения определяемого вещественного компонента в зависимости от концентрации последнего. Изменение диэлектрической проницаемости и/или коэффициента отражения приводит к изменению условий отражения светового излучения когерентного источника 3 светового излучения от сенсорного слоя 1, что в свою очередь приводит к изменению интенсивности стоячей световой волны на всем ее протяжении, т.е. от сенсорного слоя 1 до светоделительного элемента 5. Таким образом, за счет этих пространственных изменений происходит оптическое детектирование присоединения вещественного компонента к сенсорному материалу на основе биологического, химического или физического взаимодействия.

Предлагаемый способ оптического детектирования присоединения вещественного компонента к сенсорному материалу на основе биологического, химического или физического взаимодействия и устройство для его осуществления позволяют проводить многоканальное оптическое детектирование.

Формула изобретения

1. Способ оптического детектирования присоединения вещественного компонента к сенсорному слою на основе биологического, химического или физического взаимодействия, включающий отражение с измененной интенсивностью световой волны от расположенного на прозрачной подложке сенсорного слоя с присоединенным вещественным компонентом, отличающийся тем, что на сенсорный слой с присоединенным вещественным компонентом, толщину которого выбирают не более λ/4 излучения, воздействуют стоячей световой волной, при этом в пространстве, занимаемом стоячей световой волной, создают систему интерференционных полос путем наклонного расположения между сенсорным слоем с присоединенным вещественным компонентом и источником света, тонкого частично пропускающего слоя толщиной не более λ/2, при этом угол Θ между плоскостью тонкого частично пропускающего слоя и волновым фронтом световой волны выбирают из соотношения sinΘ = λ/2d, где d - период интерференционных полос, эту систему интерференционных полос проецируют через светоделительный элемент на матричное фотоприемное устройство, при этом световой поток на сенсорный слой поступает от источника монохроматического излучения с длиной когерентности не менее удвоенного расстояния от сенсорного слоя до светоделительного элемента.

2. Способ оптического детектирования присоединения вещественного компонента к сенсорному слою на основе биологического, химического или физического взаимодействия по п. 1, отличающийся тем, что в пространстве, занимаемом стоячей световой волной, создают дополнительную систему интерференционных полос стоячей световой волны путем наклонного расположения между сенсорным слоем с присоединенным вещественным компонентом и источником света дополнительного тонкого частично пропускающего слоя толщиной не более λ/2, где λ - длина волны светового излучения под углом Θ₂, угол Θ₂ между дополнительным тонким частично пропускающим слоем и волновым фронтом световой волны определяют из соотношения sinΘ₂ = λ/2d₂, где d₂ - период дополнительной системы интерференционных полос, угол наклона Θ₁ между плоскостью основного тонкого частично пропускающего слоя и плоскостью сенсорного слоя с присоединенным вещественным компонентом задают относительно угла наклона Θ₂ в диапазоне 0-180^o, плоскость дополнительного тонкого частично пропускающего слоя разворачивают по оси, совпадающей с направлением распространения светового излучения, относительно плоскости основного частично пропускающего слоя на величину угла Ω, лежащего в диапазоне 0,1-90^o, а изображения полученных таким образом двух систем интерференционных полос проецируют через светоделительный элемент на матричное фотоприемное устройство.

3. Устройство для оптического детектирования присоединения вещественного компонента к сенсорному слою на основе биологического, химического или физического взаимодействия, содержащее оптически сопряженные сенсорный слой с присоединенным вещественным компонентом, расположенный на прозрачной подложке, когерентный источник светового излучения, матричное фотоприемное устройство и светоделительный элемент, расположенный между когерентным источником светового излучения и сенсорным слоем с присоединенным вещественным компонентом, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено тонким частично пропускающим слоем толщиной не более λ/2, где λ - длина волны светового излучения, наклонно расположенным между сенсорным слоем с присоединенным вещественным компонентом и когерентным источником светового излучения, под углом Θ между плоскостью тонкого частично пропускающего слоя и волновым фронтом световой волны, определяемым из соотношения sinΘ = λ/2d, где d - период интерференционных полос, а сенсорный слой имеет толщину не более λ/4.

4. Устройство для оптического детектирования присоединения вещественного компонента к сенсорному слою на основе биологического, химического или физического взаимодействия по п. 3, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным тонким частично пропускающим слоем, толщиной не более λ/ 2, где λ - длина волны светового излучения, наклонно расположенным между сенсорным слоем с присоединенным вещественным компонентом и когерентным источником светового излучения под углом Θ₂ между плоскостью тонкого частично пропускающего слоя и волновым фронтом световой волны, определяемым из соотношения sinΘ₂ = λ/2d₂, где d₂ - период интерференционных полос, при этом дополнительный тонкий частично пропускающий слой выполнен с разворотом его плоскости по оптической оси устройства относительно плоскости основного тонкого частично пропускающего слоя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3