[发明专利]用于消逝波导传感的设备和方法

说明书

提供了用于容器内的样品的波导光谱法的设备和相关联的方法。该设备可包含具有窗口的衬底，其在感兴趣波长处是可透过的并且与容纳样品的容器耦合；在感兴趣波长处是可透过的材料的波导芯，波导芯位于与样品相邻的可透过窗口的内表面上，该波导芯具有的折射率大于样品的折射率，光学元件，其配置成将光耦合进和耦合出波导，以及光源和位于容器外部的一个或多个探测器。

对相关申请的交叉引用

本申请要求2016年10月19号提交的美国临时申请、序列号No. 62/409899的优先权和益处，其公开通过引用以其整体被并入本文中。

技术领域

本文公开的主题一般地涉及用于消逝波导传感的设备和方法。

背景技术

衰减全反射光谱法是用于为了化学/生物复合物的识别测量化学/生物复合物、测量浓度等的技术。已经报告了若干方法。在一个报告的方法中，通过将ATR晶体厚度减少直到其变得在厚度上小于几个波长（也称为平面波导），技术的灵敏度由于在样品与波导的分界面处的多次反射的大幅增大而被提高。已经报告了高达10000的提高。

经常也感兴趣的是，在不同吸收线存在的红外区域中测量化学或生物复合物的光谱，以便确定例如溶液中复合物的浓度。然而，在许多情况中，感兴趣的复合物的吸收带非常弱。例如，10mMol复合物浓度的吸收系数在2到2.4μm波长带中可仅为0.0002到0.0035。因此，期望的是，最大化溶液的吸收系数对波导性质的影响。此外，需要对仪器偏差进行仔细校正，以便精确地测量与这些吸收带相关联的波导透射率的微小改变。

在报告的手段中，描述了通过衬底将光耦合到波导中的部件。然而，需要两个光栅和棱镜的复杂结合以获得宽带耦合。

另一报告的技术使用位于衬底的相同侧上的单个棱镜作为波导将光耦合到波导中。然而，在这种技术中，因为将光从与样品相同的侧耦合到波导中，所以光不能容易地耦合到密闭容器中。

波导光谱法或衰减全反射光谱法之前已经被讨论作为用于在不需要通过溶液透射光的情况下进行溶液的光谱测量的方法。在波导光谱法的报告的技术中，光没有通过溶液透射。相反，溶液与波导芯相邻并且只与溶液内波导模的消逝场内的波导相互作用，其通常仅在波长的量级上。因此，降低了溶液内的散射粒子的影响。只有附着或几乎附着到波导芯的粒子可对通过波导芯传播的光具有一些影响。

然而，粒子，尤其是细胞，可具有随着时间沉淀到波导芯上或将其自身附着在波导芯上的倾向。尽管这些粒子仅与芯相互作用到它们位于芯表面的大概波长内的程度，然而它们仍然可通过将光散射到芯外的来影响通过芯透射的光的光谱。因此，传统的波导光谱法仍可被溶液中的粒子所影响。

一般地，波导芯具有支持多个TE和TM模的厚度。芯还可特定地被设计或配置成使仅一个TE和一个TM模透射。

通常，就在对样品溶液进行测量之前，在没有任何溶解复合物的情况下对于溶液测量本底光谱。假设，除了其他因素之外，光源、探测器和仪器响应的光谱强度在样品溶液和本底的测量之间的间隔期间不改变，使得可使用本底光谱精确地标准化样品光谱。然而，在一些情况中，不可能立刻在样品测量之前测量本底光谱。例如，当必须在几周期间内对溶液进行监控，而没有机会周期地测量本底光谱时。在这种情况中，如果随时间发生任何仪器偏差，例如光源的光谱输出的改变，则在样品测量开始时测量的本底光谱可能不用于精确地标准化样品光谱。

发明内容

本发明解决对溶液的各种成分的浓度的测量的需要,所述溶液还可含有粒子，包含但不限于光散射粒子。例如，在生物反应器中，经常需要随着细胞在生物反应器内生长监控葡萄糖、乳酸、谷氨酸、氨以及其他生化物的浓度。通过生物反应器的溶液进行透射光光谱测量以确定这些生化物的浓度是不实际的，因为在光通过溶液传播时，溶液内的细胞会散射光，这不仅将通过给定溶液厚度透射的光的量大大地减少到无法探测的点，而且改变了透射光的光谱依赖性。