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1、(10)申请公布号 CN 103620391 A (43)申请公布日 2014.03.05 CN 103620391 A (21)申请号 201280018801.X (22)申请日 2012.04.19 11075072.6 2011.04.21 EP G01N 21/77(2006.01) (71)申请人 弗兰霍菲尔运输应用研究公司 地址 德国慕尼黑 (72)发明人 赫尔穆特海德里希 彼得吕措 丹尼尔佩尔甘德 沃尔夫冈沙德 (74)专利代理机构 北京同立钧成知识产权代理 有限公司 11205 代理人 臧建明 (54) 发明名称 检测分子的方法及光学传感器 (57) 摘要 本发明涉及一种借助。
2、光学传感器检测特定物 质的分子的方法。该方法包括以下步骤 ： 使所述 传感器与待分析的流体接触， 将第一波长(1)的 光耦合至所述传感器的光学共振器 (3) 中， 所述 共振器 (3) 至少部分地覆盖有用于选择性吸收一 组物质的覆盖材料的活性层， 将第二波长(2)的 光耦合至所述传感器的同一共振器 (3) 中或第二 光学共振器 (3 ) 中， 所述第二共振器 (3 ) 至 少部分地覆盖有同一覆盖材料的活性层， 对于所 述第一波长和所述第二波长 (1,2) 中的每一 个， 检测从包含相应共振器 (3,3 ) 的光路耦合 出的光信号， 改变相应共振器 (3,3 ) 的光程或 相应的波长 (1,2)。
3、， 从而扫描含有相应共振器 (3,3)的至少一个共振的间隔， 和-通过所述共 振器 (3,3 ) 的活性层处累积的分子， 检测该共 振的展宽， 所述共振的展宽表明对进入相应共振 器 (3,3 ) 的光的吸收。本发明还涉及一种为实 施该方法而设计的光学传感器。 (30)优先权数据 (85)PCT国际申请进入国家阶段日 2013.10.16 (86)PCT国际申请的申请数据 PCT/EP2012/001175 2012.04.19 (87)PCT国际申请的公布数据 WO2012/143072 EN 2012.10.26 (51)Int.Cl. 权利要求书 3 页 说明书 8 页 附图 4 页 (1。
4、9)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书3页 说明书8页 附图4页 (10)申请公布号 CN 103620391 A CN 103620391 A 1/3 页 2 1. 一种通过光学传感器检测特定物质的分子的方法， 该方法包括， - 使所述传感器与待分析的流体接触， - 将第一波长 (1) 的光耦合至所述传感器的光学共振器 (3) 中， 所述共振器 (3) 至少 部分地覆盖有用于选择性吸收一组物质的覆盖材料的活性层， 所述一组物质包括待检测的 物质， - 将第二波长 (2) 的光耦合至所述传感器的同一共振器 (3) 中或第二光学共振器 (3 ) 中， 所述第二共振器 。
5、(3 ) 至少部分地覆盖有同一覆盖材料的活性层， - 对于所述第一波长和所述第二波长 (1,2) 中的每一个， 检测从包含相应共振器 (3,3 ) 的光路耦合出的光信号， - 对于所述第一波长和所述第二波长 (1,2) 中的每一个， 改变相应共振器 (3,3 ) 的光程或相应的波长 (1,2)， 从而扫描包含相应共振器 (3,3 ) 的至少一个共振的间 隔， - 对于所述第一波长和所述第二波长 (1,2) 中的每一个， 通过所述共振器 (3,3 ) 的活性层处累积的分子， 检测该共振的展宽， 所述共振的展宽表明对进入相应共振器 (3,3 ) 的光的吸收。 2.权利要求1所述的方法， 其特征在于。
6、， 所述方法还包括根据仅针对第一波长(1)或 仅针对第二波长 (2) 或针对这两个波长 (1,2) 是否检测到超出一定阈值的展宽， 识别 所述流体是否含有明显浓度的待检测物质的分子。 3.权利要求1或2所述的方法， 其特征在于， 所述共振的展宽通过确定在所述间隔内光 信号相对波长的导数并且通过确定共振处该导数的两个极值之间的间距 (, ) 而进行检测， 所述间距为所述展宽的量度。 4. 权利要求 3 所述的方法， 其特征在于， 所述导数借助锁定放大器 (11) 按如下确定 ： - 用调制信号调制所述共振器 (3,3 ) 的光程或所述波长 (1,2)， - 将用于检测所述光信号的光检测器 (6,。
7、6 ) 的输出供入所述锁定放大器 (11) 中， 和 - 使用所述调制信号作为所述锁定放大器 (11) 的参考信号。 5. 权利要求 1-4 中任一项所述的方法， 其特征在于， 对所述第一波长和所述第二波长 (1,2)中的至少一个， 除了展宽之外， 还确定所述共振的位移， 所述位移表明相应共振器 (3,3 ) 的光程的变化， 所述变化是由该共振器 (3,3 ) 的活性层处累积的分子引起的。 6. 一种用于检测特定物质的分子的光学传感器， 所述传感器包含第一光路、 用于产生第一波长 (1) 的光的第一光源 (5) 和第一光检 测器(6)， 所述第一光源(5)光耦合至所述第一光路以将所述第一波长(。
8、1)的光供入所述 第一光路， 所述第一光检测器 (6) 光耦合至所述第一光路以检测从所述第一光路耦合出的 光信号， 所述传感器还包含第二光路、 用于产生第二波长 (2) 的光的第二光源 (5 ) 和第二 光检测器 (6 )， 所述第二光源 (5 ) 光耦合至所述第二光路以将所述第二波长 (2) 的 光供入所述第二光路中， 所述第二光检测器 (6 ) 光耦合至所述第二光路以检测从所述第 二光路耦合出的光信号， 其中所述第一光路和所述第二光路中的每一个均含有光学共振器 (3,3 )， 所述光学 共振器 (3,3 ) 至少部分地覆盖有用于选择性吸收一组物质的覆盖材料的活性层， 所述一 权 利 要 求。
9、 书 CN 103620391 A 2 2/3 页 3 组物质包括待检测的物质， 所述覆盖材料对于所述第一光路的共振器 (3) 和所述第二光路 的共振器 (3 ) 而言是相同的， 并且其中两个光路的共振器 (3,3 ) 和 / 或所述第一光源及所述第二光源 (6,6 ) 是可调节的， 以改变所述共振器 (3,3 ) 的光程和 / 或所述第一波长及所述第二波长 (1,2)， 所述传感器还包含控制单元 (8)， 用于控制所述光源 (5,5 ) 和 / 或所述共振器 (3,3 )， 所述控制单元 (8) 被配置为， 用于改变所述共振器 (3,3 ) 的光程和 / 或所述第 一波长及所述第二波长(1,。
10、2)， 从而扫描包含相应共振器(3,3)的至少一个共振的间 隔。 7. 权利要求 6 所述的传感器， 其特征在于， 所述第一波长 (1) 和所述第二波长 (2) 之间的差比共振器 (3,3 ) 中每一个在相应波长 (1,2) 处的相邻共振之间的间距大至 少一个数量级。 8. 权利要求 6 或 7 所述的传感器， 其特征在于， 所述第一光路和所述第二光路中的每 一个均包含一个或两个光波导 (2,2 )， 用于将所述第一光路和所述第二光路的共振器 (3,3 ) 耦合至相应的光源 (5,5 ) 和相应的光检测器 (6,6 )。 9. 权利要求 6-8 中任一项所述的传感器， 其特征在于， 所述共振器。
11、 (3,3 ) 为环形共 振器。 10. 权利要求 6-9 中任一项所述的传感器， 其特征在于， 其含有信号处理单元 (10)， 用 于分析所述第一光检测器和第二光检测器(6,6)的输出， 所述信号处理单元(10)被配置 为用于， 对于每一个共振器(3,3)， 确定对所述间隔中所含的相应共振器(3,3)的共振 的宽度和 / 或展宽的量度。 11. 权利要求 10 所述的传感器， 其特征在于， 所述信号处理单元 (10) 被配置为， 用于 确定在所述间隔内光信号相对于波长的导数， 并确定共振处所述导数的两个极值之间的间 距， 所述间距为所述宽度和 / 或展宽的量度。 12. 权利要求 11 所述。
12、的传感器， 其特征在于， 所述控制单元 (8) 被配置为用于， 对于所 述第一光路和所述第二光路中的每一个， 以调制信号来调制相应共振器 (3,3 ) 的光程或 相应的波长 (1,2)， 并且其特征在于， 为确定所述导数， 所述信号处理单元 (10) 包含锁 定放大器(11)， 所述控制单元(8)连接至该锁定放大器(11)以将所述调制信号作为参考信 号供入该锁定放大器 (11) 中。 13.权利要求10至12中任一项所述的传感器， 其特征在于， 所述信号处理单元(10)还 被配置为用于， 对于共振器 (3,3 ) 中的至少一个， 确定所述间隔包含的共振的位移。 14. 权利要求 6 至 13 。
13、中任一项所述的传感器， 其特征在于， 其包含至少一个另外的光 路、 用于产生另外的波长 (3) 的光的另外的光源和另外的光检测器， 所述另外的光源光耦 合至所述另外的光路以将所述另外的波长 (3) 的光供入所述另外的光路中， 所述另外的 光检测器光耦合至所述另外的光路以检测从所述另外的光路耦合出的光信号， 其中所述至少一个另外的光路包含光学共振器， 所述光学共振器至少部分地覆盖有相 同覆盖材料的活性层， 其中对所述另外的光路的共振器和 / 或所述另外的光源进行调节， 以改变该共振器的 光程和 / 或所述另外的波长 (3)， 权 利 要 求 书 CN 103620391 A 3 3/3 页 4 。
14、并且其中所述控制单元 (8) 还被配置为， 用于改变该共振器的光程和 / 或所述另外的 波长 (3)， 从而扫描含有所述另外的光路的共振器的至少一个共振的间隔。 15.权利要求6至14中任一项所述的传感器， 其特征在于， 所述光路中的每一个均含有 至少一个另外的光学共振器 (4,4 )， 所述另外的光学共振器 (4,4 ) 至少部分地覆盖有 用于选择性吸收分子的另外的覆盖材料的活性层， 所述另外的覆盖材料不同于上述覆盖材 料或具有不同的浓度。 16. 一种用于检测特定物质的分子的光学传感器， 所述传感器包含 光路、 用于产生第一波长 (1) 和第二波长 (2) 的光的至少一个光源 (5,5 )。
15、 和光 检测器 (6)， 所述至少一个光源 (5,5 ) 光耦合至所述光路以将所述第一波长 (1) 和所 述第二波长 (2) 的光耦合至该同一光路中， 所述光检测器 (6) 光耦合至所述光路以检测 从该光路中耦合出的光信号， 其中所述光路含有光学共振器 (3)， 该光学共振器 (3) 至少部分地覆盖有用于选择性 吸收一组物质的覆盖材料的活性层， 所述一组物质包括待检测的物质， 其中对所述共振器 (3) 和 / 或所述至少一个光源 (5,5 ) 进行调节， 以改变所述共振 器 (3) 的光程和 / 或所述第一波长和所述第二波长 (1,2)， 所述传感器还含有控制单元 (8)， 所述控制单元 (8。
16、) 被配置为， -用于控制所述至少一个光源(5,5)， 使得所述第一波长(1)的光及所述第二波长 (2) 的光被相继供入所述光路中， - 用于改变所述共振器 (3) 的光程和 / 或所述第一波长和所述第二波长 (1,2)， 使 得对于所述第一波长和所述第二波长(1,2)中的每一个， 扫描含有所述共振器(3)的至 少一个共振的间隔， - 和用于对于所述第一波长和所述第二波长 (1,2) 中的每一个， 检测该共振的宽度 和 / 或展宽。 权 利 要 求 书 CN 103620391 A 4 1/8 页 5 检测分子的方法及光学传感器 技术领域 0001 本发明涉及一种检测特定物质的分子的方法及为实。
17、施该方法而设计的光学传感 器。 背景技术 0002 文献EP 2 270 478 A1描述了一种光学传感器， 包含光路， 用于产生光并将该光供 给到光路中的光源， 和用于检测从第一光路耦合出的光信号的光检测器， 其中， 所述光路包 括光学共振器等， 所述光学共振器至少部分地覆盖有用于选择性吸收某一特定种类分子的 覆盖材料的活性层。 用该传感器实施的测量利用的是吸收的分子影响共振器光程使该共振 器的共振频率发生改变， 而这又可通过检测从所述光路耦合出的光进行检测。 因此， 可以检 测与活性层接触的流体是否含有特定种类的分子。 0003 即使选择性极强的材料被用于活性层， 该层仍然不是仅确切地吸收。
18、一种物质的分 子而是吸收整组物质的分子。这特别是适用于化学性质相似的物质。由于这一原因， 在上 述提及的现有技术水平下无法避免不确定性， 因此仍然不能确定， 所检测的分子是否真的 具有待检测的特定物质或者仅是化学性质相似。 发明内容 0004 因此， 本发明的一个目的是提供一种更精确的方法和相应的传感器， 用于检测特 定物质的分子， 避免不确定性。 此外， 应该能够用很少的努力并在较短时间内实施该方法和 实施相应的测量。 0005 根据本发明， 所述目的通过权利要求 1 所述的方法和权利要求 6 或 16 中任一项所 述的传感器而实现。本发明的有利实施方案可用从属权利要求的特征来实现。 000。
19、6 所提供的通过光学传感器检测特定物质的分子的方法包括 0007 - 使所述传感器与待分析的流体接触， 0008 - 将第一波长的光耦合至所述传感器的光学共振器中， 所述共振器至少部分地覆 盖有用于选择性地吸收一组物质的覆盖材料的活性层， 所述一组物质包括待检测的物质， 0009 - 将第二波长的光耦合至所述传感器的同一共振器中或第二光学共振器中， 所述 第二共振器至少部分地覆盖有同一覆盖材料的活性层， 0010 - 对于所述第一波长和所述第二波长中的每一个， 检测从包含相应共振器的光路 耦合出的光信号， 0011 - 对于所述第一波长和所述第二波长中的每一个， 改变相应共振器的光程或相应 的。
20、波长， 从而扫描包含相应共振器的至少一个共振的间隔， 0012 - 对于所述第一和第二波长中的每一个， 通过所述共振器的活性层处累积的分子， 检测该共振的展宽， 所述共振的展宽表明对进入相应共振器的光的吸收。 0013 本文中， 检测共振的展宽是指检测或测量相应共振的宽度， 并将该宽度与参考值 进行比较。优选地， 所述参考值选择为在传感器不与待分析的流体接触并因而不受其影响 说 明 书 CN 103620391 A 5 2/8 页 6 时的同一共振的宽度。 它可以定义为， 例如， 当传感器与参考流体， 例如水或空气， 接触时测 得的相应共振的宽度。可以检测到不同共振的展宽， 原因在于在使传感器。
21、与待分析的流体 接触之前另外实施同样的测量， 或者从所述传感器中除去待分析的流体之后和 / 或使传感 器与参考流体接触之后再次实施同样的测量。 0014 可使用任何通常的测量来限定所述相应共振的宽度。 所述宽度例如可定义为由相 应共振的共振波长分离的两个波长的半最大值处的全宽或该两个波长之间的差值， 对应于 该共振的两个边缘的最大坡度的点或拐点 （inflection point） 。 0015 在本文中， 术语流体可以表示任何分析物。特别是， 该术语可以表示液体或气体。 0016 通过这种方法， 不仅获得关于流体中所含的任何物质的分子是否被一个或多个活 性层吸收的信息。 此外， 当第一波长和。
22、第二波长不同时， 获得这些分子对两个不同波长的光 吸收行为的信息。 这有助于确定所吸收的分子是在活性层用作选择性吸收剂的物质组中 的哪种物质。当然， 可以通过对至少一种另外的波长实施相同的分析来概括出该方法。 0017 特别地， 在实施上述步骤后， 根据仅针对第一波长或仅针对第二波长或针对这两 个波长是否可以检测到共振的展宽或超出一定阈值的展宽， 可以确定所述流体是否含 有待检测物质的分子。 因此， 该方法可以进一步包括 ： 根据仅针对第一波长或仅针对第二波 长或针对这两个波长是否检测到超出一定阈值的展宽， 识别所述流体是否含有明显浓度的 待检测物质的分子。为此， 所述第一波长和所述第二波长可。
23、以选择为物质组中的一个或多 个物质而不是其中所有物质的典型吸收波长。 0018 所述第一波长和所述第二波长之间的差值通常会选择为比共振器或每一个共振 器在相应波长处相邻共振之间的间距 （spacing） 大至少一个数量级通常大几个数量 级。在本文中， 数量级应理解为以十倍计。 0019 在所述方法的一个优选实施方案中， 对所述第一波长和所述第二波长中的至少一 个， 除了展宽之外， 还确定共振的位移， 所述位移表明相应共振器的光程的变化， 所述变化 是由该共振器的活性层处累积的分子引起的。这使得分析更精确， 因为位移表明分子已被 活性层吸收并且甚至可以作为对所吸收的物质的量的量度， 因此可以在考。
24、虑所述量的基础 上来评价所述展宽。 特别地， 根据一种或另一种共振的位移， 可以定义前文针对共振的展宽 （用于确定流体中是否含有一种或其他物质） 所提到的阈值。 0020 在每种情况下， 可以通过确定在所述间隔内光信号相对波长的导数以及确定共振 处该导数的两个极值之间的间距而容易地检测共振的展宽， 所述间距为所述展宽的量度。 更精确地， 所述两个极值为所述导数的绝对值的两个最大值。 为此， 所述导数可以借助锁定 放大器按如下确定 ： 用调制信号调制共振器光程或波长， 将用于检测光信号的光检测器的 输出供入锁定放大器中， 以及使用调制信号作为该锁定放大器的参考信号。 0021 为了按上文所述检测。
25、特定物质的分子， 提出了两个类似的光学传感器， 两者能实 现同样的目的。 0022 在本发明的第一实施方案中， 用于检测特定物质的分子的光学传感器包含 0023 - 第一光路、 用于产生第一波长的光的第一光源和第一光检测器， 所述第一光源光 耦合至所述第一光路以将所述第一波长的光供入所述第一光路， 所述第一光检测器光耦合 至所述第一光路以检测从所述第一光路耦合出的光信号， 0024 - 所述传感器还包含第二光路、 用于产生第二波长的光的第二光源和第二光检测 说 明 书 CN 103620391 A 6 3/8 页 7 器， 所述第二光源光耦合至所述第二光路以将所述第二波长的光供入所述第二光路中。
26、， 所 述第二光检测器光耦合至所述第二光路以检测从所述第二光路耦合出的光信号。 0025 所述第一光路和所述第二光路中的每一个均含有光学共振器， 所述光学共振器至 少部分地覆盖有用于选择性吸收一组物质的覆盖材料的活性层， 所述一组物质包括待检测 的物质， 所述覆盖材料对于所述第一光路的共振器和所述第二光路的共振器而言是相同 的。两个光路的共振器和 / 或所述第一光源及所述第二光源是可调节的， 以改变所述共振 器的光程和 / 或所述第一波长及所述第二波长， 所述传感器还包含控制单元， 用于控制所 述光源和/或所述共振器， 所述控制单元被配置为， 用于改变所述共振器的光程和/或所述 第一波长及所述。
27、第二波长， 从而扫描包含相应共振器的至少一个共振的间隔。 0026 所述第一波长和所述第二波长是不同的。通常， 所述第一波长和所述第二波长之 间的差为， 比共振器中每一个在相应波长处的相邻共振之间的间距大至少一个数量级 优选几个数量级。在此情况下， 通过改变所述第一波长和所述第二波长而扫描到的间隔或 等效地通过改变相应共振器的光程而使所述共振发生位移而扫描到的波长间隔， 应理解为 比所述第一波长和所述第二波长之间的差值小至少一个数量级。 这也适用于下文所述的第 二实施方案。 因此， 即使所述第一波长和所述第二波长发生改变， 仍可清楚地将它们的不同 波长或波长间隔进行相互区分。 0027 在本发。
28、明的第二实施方案中， 用于检测特定物质的分子的光学传感器包含光路、 用于产生第一波长及第二波长的光的至少一个光源、 光检测器， 所述至少一个光源光耦合 至所述光路以将所述第一波长和所述第二波长的光耦合至该同一光路中， 所述光检测器光 耦合至所述光路以检测从该光路中耦合出的光信号。同样在此情况下， 所述光路含有光学 共振器， 该光学共振器至少部分地覆盖有用于选择性吸收一组物质的覆盖材料的活性层， 所述一组物质包括待检测的物质。另外， 所述第一波长和所述第二波长之间的差典型地比 共振器在所述第一波长和所述第二波长中的每一个处的相邻共振之间的间距大至少一个 数量级， 或者甚至几个数量级。所述共振器和。
29、 / 或所述至少一个光源是可以调节的， 用于改 变所述共振器的光程和 / 或所述第一波长和所述第二波长， 所述传感器还含有控制单元， 所述控制单元被配置为， 0028 - 用于控制所述至少一个光源， 使得所述第一波长的光及所述第二波长的光被相 继供入所述光路中， 0029 - 用于改变所述共振器的光程和 / 或所述第一波长和所述第二波长， 使得对于所 述第一波长和所述第二波长中的每一个， 扫描含有所述共振器的至少一个共振的间隔， 0030 - 和用于对于所述第一波长和所述第二波长中的每一个， 检测所述共振的宽度和 / 或展宽。 0031 在这两个实施方案中， 所述传感器可有利地用于实施上述检测。
30、方法。 同时， 其具有 相当简单的结构并可以紧凑坚固的形式而实现。 0032 为此， 传感器或至少其多个部分特别是包括一个或多个共振器的一个或多个 光路可在芯片上实现， 称为集成光学电路。所述光路或所述第一光路和所述第二光路 中的每一个可包含一个或两个光波导， 用于将所述光路的共振器或所述第一光路和所述第 二光路的共振器耦合至各自的光源和各自的光检测器， 以确保所述传感器是紧凑和坚固 的。所述波导可设计成光子线。 说 明 书 CN 103620391 A 7 4/8 页 8 0033 每一个共振器优选可以以环形共振器的形式， 特别是以所称的微环共振器的形式 而实现。 所述环形共振器可通过瞬逝场。
31、耦合至各自的一个或多个波导。 它们是特别适合的， 因为它们对在表面累积的分子显示出极高的灵敏度。 这意味着它们的光程非常敏感地取决 于由活性层吸收的分子的量。 但是， 也可以使用其他类型的光学共振器代替环形共振器， 例 如法布里 - 珀罗共振器 （Fabry-Prot resonator） 。 0034 另外， 所述传感器可以具有用于将待分析的流体传导至每个光路的共振器的活性 层的通道。优选地选择所述至少一个光源或所述第一光源和所述第二光源为激光器， 所述 激光器由于它们的单色光是适宜的。 0035 所述传感器可以包含信号处理单元， 用于分析第一和第二光检测器的输出， 或者 在第二实施方案中，。
32、 用于分析唯一的光检测器的输出。该信号处理单元可以包含在控制单 元中。 所述信号处理单元可以被配置为， 用于在扫描间隔内确定光信号相对于波长的导数。 为此， 所述控制单元可以被配置为用于， 对于所述第一光路和第二光路中的每一个或对于 唯一光路而言， 以调制信号来调制共振器相应的光程或相应的波长。 在此情况下， 为确定所 述导数， 所述信号处理单元可以包含锁定放大器， 所述控制单元连接至该锁定放大器以将 调制信号作为参考信号供入该锁定放大器中。由此所述导数作为锁定放大器的输出而得 到。 当然， 为了扫描所述第一波长和所述第二波长附近的间隔， 是否调制光源或共振器的光 程和是否改变光源或共振器是等。
33、效的。 最实际的解决方案是调节用于扫描所述间隔的光源 并调制相应共振器例如进行电 - 光或热 - 光调制用于确定所述导数。 0036 希望确定相应光信号相对于波长的导数， 以更容易地确定宽度的量度并由此确定 对相应共振的展宽的量度。 0037 在优选的实施方案中， 所述传感器的信号处理单元被配置为用于， 对于两个波长 中的每一个或对于每一个共振器， 确定对扫描间隔中所含的相应共振器的共振的宽度和 / 或展宽的量度。 如果按上述确定所述导数， 则所述信号处理单元可被配置为， 用于通过确定 共振时所述导数的两个极值之间的间距来确定所述导数， 在此情况下， 所述间距为所述宽 度和 / 或展宽的量度。。
34、 0038 为了获得更多的关于待检测流体中所含物质的信息， 和为了实现更精确的结果， 所述信号处理单元可进一步被配置为用于， 对于共振器中的至少一个， 确定扫描间隔所含 的共振的位移。 0039 可以使所述光路或每一个光路包含至少一个另外的光学共振器， 所述光学共振器 至少部分地覆盖有用于选择性吸收分子的另外的覆盖材料的活性层， 所述另外的覆盖材料 不同于上述覆盖材料或包含相同的物质但具有不同的浓度。根据如何选择该选择性吸收 覆盖材料， 这使得所述传感器能够用于同时检测不同物质的分子的存在或缺失和 / 或用于 更精确的检测所寻找的特定物质的分子。在此情况下， 必要的是， 共振器即它们的光 程可。
35、以进行调制， 以便识别可归属于特定共振器的共振。 0040 在具有第一光路和第二光路的实施方案中， 可选地， 传感器可包含至少一个另外 的光路、 用于产生另外波长的光的另外的光源和另外的光检测器， 所述另外的光源光耦合 至所述另外的光路以将所述另外波长的光供入所述另外的光路中， 所述另外的光检测器光 耦合至所述另外的光路以检测从所述另外的光路耦合出的光信号。在此情况下， 所述至少 一个另外的光路也可以包含光学共振器， 所述光学共振器至少部分地覆盖有与所述第一光 说 明 书 CN 103620391 A 8 5/8 页 9 路和第二光路的共振器所用的相同的覆盖材料的活性层， 所述另外的光路的共振。
36、器和 / 或 所述另外的光源可以进行调节， 以改变该共振器的光程和 / 或所述另外的波长， 所述控制 单元也可被配置为， 用于改变该共振器的光程和 / 或所述另外的波长， 从而扫描含有所述 另外的光路的共振器的至少一个共振的间隔。由此， 可进一步降低由活性层不具有足够选 择性而引起的不确定性。 0041 用于此处所述传感器的活性层的覆盖材料可为例如分子印迹聚合物。 所述不确定 性是由于不仅一种特定物质的分子而且与待检测物质具有例如某些共同结构的类似物质 也可被这些活性层吸收， 所述不确定性可通过所提出的方法和传感器而降低。 0042 相应光学共振器的共振在所述共振器处累积的分子显示出更高吸收率。
37、的波长处 被展宽。因此， 关于吸收的分子对于至少两个不同波长的吸收行为的另外信息是通过文中 所述的方法和传感器而获得的。该信息有助于减小上述不确定性， 因为可被活性层吸收的 物质组中的一些物质可被排除如果该物质在所述第一波长或所述第二波长处具有高 吸收率和如果在该特定波长处没有看到共振的展宽。 附图说明 0043 下文将参照图 1-7 说明本发明的示例性实施方案。 0044 图 1 是第一实施方案中的光学传感器的示意性顶视图， 该传感器包括具有若干环 形共振器的两个或两个以上的光路， 0045 图 2 为以示意方式展示三种不同物质的典型透射谱图， 0046 图3为以示意方式展示含有图1光学传感。
38、器中所含的环形共振器的光路的透射谱 图， 0047 图4为以示意方式展示图1传感器的信号处理单元中所含若干锁定放大器之一的 输出图， 该输出在环形共振器之一的共振附近针对与波长相关的两种不同的情况被绘制， 0048 图 5 为说明在用图 1 传感器实施的测量中得到的可能的不同的结果的表， 0049 图 6 为第二个实施方案中光学传感器的示意性顶视图， 0050 图7为仅略微不同于图6实施方案的另一个实施方案中光学传感器的示意性顶视 图。 具体实施方式 0051 图 1 展示了用于分析流体和检测流体中待分析的一种或几种特定物质的分子的 光学传感器。该传感器的最重要的组件是在芯片 1 上以平面技术。
39、实现的， 且形成集成光学 电路。该集成光学电路具有第一光路以及第二光路， 该第一光路包括光波导 2、 光学环形共 振器 3 和另外的光学环形共振器 4 ； 该第二光路包括波导 2， 光学环形共振器 3和另外 的光学环形共振器 4。所有这些环形共振器 3、 3、 4 和 4均为直径在 10m 和 200m 之间的微环， 且象波导2和2那样作为光子线实现。 它们通过瞬逝场 （evanescent field） 被耦合到各自光路的波导 2 或 2。 0052 第一光源 5 光耦合至波导 2 以将第一波长 1的光供入所述第一光路。以相同的 方式， 第二光源 5耦合到波导 2， 以将第二波长 2的光供入。
40、所述第二光路。两个光源 5 和 5均是可调的激光器， 因此两个波长 1和 2均可在一定程度上改变。 说 明 书 CN 103620391 A 9 6/8 页 10 0053 在两个光路的相对端， 波导 2 光耦合至第一光检测器 6， 以检测从第一光路耦合出 的光信号， 同时波导 2光耦合至第二光检测器 6， 以检测从第二光路耦合出的光信号。在 此情况下， 光检测器 6 和 6在芯片 1 上以光电二极管的形式而实现。 0054 共振器 3 和 3中的每一个均覆盖有覆盖材料的活性层， 用于选择性吸收含有特 定待检测物质的物质组的分子。用于共振器 3 和 3的覆盖材料是相同的， 并且可以是例 如 M。
41、IP。类似地， 另外的共振器 4 和 4均覆盖有另外的覆盖材料的活性层， 用于选择性吸 收含有相同或另外的待检测物质的另一物质组的分子， 该覆盖材料对于所述另外的共振器 4 和 4是相同的， 但不同于共振器 3 和 3的覆盖材料。所述活性层通过阴影 （shadings） 而可视化。共振器 3、 3、 4 和 4中的每一个的光程可借助电极 7 进行电 - 光或热 - 光调 制。 0055 如图 1 中虚线所示， 所述传感器可以包括另外的光路、 另外的光源以及另外的光 检测器， 所述另外的光路与第一光路和第二光路结构相同， 所述另外的光源用于产生另外 的波长3的光并将所述另外的波长3的光供入所述另。
42、外的光路， 所述另外的光检测器用 于检测从所述另外的光路耦合出的光信号。在此情况下， 所述另外的光路也包括光学共振 器和另外的光学共振器， 它们中的每一个均覆盖有覆盖材料的活性层， 所述覆盖材料分别 与用于第一光路或第二光路的共振器 3、 3或另外的共振器 4、 4的覆盖材料相同。此外， 所述另外的光源同所述第一光源 5 和第二光源 5一样是可以调节的， 并且所述另外的光 路的共振器和另外的共振器可以与所述第一光路和第二光路的共振器 3 和 3及所述另外 的共振器 4 和 4一起进行调制。 0056 所述传感器包括控制单元8， 用于控制光源5和5及共振器3和3， 以及所述另 外的共振器 4 和。
43、 4。所述控制单元 8 被配置为， 用于通过频率为 f1的调制信号改变共振 器 3 和 3的光程并通过不同频率 f2的调制信号相应地调制所述另外的共振器 4 和 4。 在可适用的场合， 这同样适用于所述另外的光路的共振器和另外的共振器。 此外， 所述控制 单元 8 被配置为， 用于改变所述第一波长 1和第二波长 2从而扫描含有相应共振器 3 或 3的和相应另外的共振器 4 或 4的至少一个共振的间隔。在可适用的场合， 所述控 制单元8以相同方式配置为用于另外改变所述另外的波长3， 从而扫描所述另外的光路的 共振器及另外的共振器中每一个的至少一个共振。 0057 应该注意的是， 每一个光路具有不。
44、同的波导， 用于将共振器 3 或 3及 4 或 4分 别光耦合至各自的光检测器 6 或 6。在此情况下， 波导 2 和 2将仅用于将它们分别耦合 到各自的光源 5 或 5。 0058 在芯片 1 的顶部上， 提供了一个微流体通道 9 用于将待分析的流体传导至不同的 共振器 3、 3、 4 和 4的活性层。 0059 为了分析第一光检测器 6 和第二光检测器 6的输出以及在可适用的场 合另外的光检测器的输出， 所述传感器包含信号处理单元 10， 所述信号处理单元 10 具 有锁定放大器 11 和评价单元 12。所述信号处理单元 10 被配置为， 用于对每一个共振器 3、 3、 4 和 4确定对通。
45、过调节光源 5 和 5而扫描到的各自波长间隔所含的相应共振器 3、 3、 3 或 4的共振的展宽的量度。为此， 所述信号处理单元 10 被配置为， 用于确定在每一 个扫描间隔内， 各光信号相对于波长的导数。这借助各自的锁定放大器 11 而进行， 所述控 制单元 8 被连接至锁定放大器 11， 以将调制信号之一作为参考信号而供入该锁定放大器。 说 明 书 CN 103620391 A 10 7/8 页 11 如果带研究的是共振器3和3的共振， 则使用频率f1的调制信号作为参考信号， 而研究另 外的共振器 4 和 4的共振， 选择频率 f2用作参考信号。根据选择的参考信号是具有频率 f1还是具有频。
46、率 f2， 各锁定放大器 11 从各自光信号过滤掉共振器 3 或 3或者另外的共振 器 4 或 4的贡献。各锁定放大器 11 的输出对应于对光信号的该贡献相对于波长的导数。 0060 在相应共振器 3、 3、 4或 4的每个共振处， 该导数的绝对值显示的是两个最 大值。评价单元 12 被配置为， 用于确定这两个最大值之间的间距， 该间距是这一共振的展 宽的量度。此外， 所述评价单元 12 被配置为， 对于每个共振器 3、 3、 4 和 4， 确定扫描间 隔所包含的共振的位移。 0061 下文中， 描述了使用共振器 3 和 3对由通道 9 传导的流体的分析。以同样的方 式， 使用另外的共振器 4。
47、 和 4对该流体进行另外的分析， 以得到另外的或更精确的关于该 流体中所含物质种类的信息。 0062 图 2 展示了一个实例中第一物质的透射谱 I、 第二物质 II 的透射谱 II 和第三物 质的透射谱 III。我们假设这三种物质形成被共振器 3 和 3的活性层优先吸收的上述物 质组。考虑一种典型的情形， 所述第一物质在两个波长 1和 2处显示出高吸收， 而所述 第二物质仅在第一波长1处显示出高吸收， 所述第三物质仅在第二波长2处显示出高吸 收。这两个波长 1和 2之间的差值可以是约 300nm， 而环形共振器 3、 3、 4 和 4的相 邻共振之间的间距小了约两个数量级并具有约 2nm 的值。
48、。图 3 展示了光路之一的透射谱。 各共振器 3 或 3的一些共振为简便起见， 忽略相应的另外共振器 4 或 4的贡献 可在该图示中清楚地看到。选择并调节光源 5 和 5以分别产生吸收波长 1或 2的光 并稍微改变相应的波长从而扫描含有相应共振器 3 或 3的一个共振的小间隔。 0063 图 4 展示了在扫描波长间隔内锁定放大器 11 的输出。在此情况下， 我们假设所选 择的参考信号具有用于调制共振器3和3的频率f1。 如上所述， 放大器11的输出分别对应 于共振器 3 或 3对从各光路耦合出的光信号的贡献的波长导数。实线显示的是在各环形 共振器的活性层处没有累积吸收相应波长1或2的光的分子的情形下的输出。 虚线显示 的是在活性层处累积吸收相应波长1或2的光的分子之后的相应信号。 光吸收分子的累 积产生位移及共振的展宽， 图 4 所示输出的两个最大值之间的放大的间距 相比 于在吸收分子累积之前的间距是该展宽的量度。 所述评价单元12被配置为， 用于 检测位移和放大的间距 ， 位移表明一定量的分子被活性层吸收 ； 放大的间距 表明这些分子对相应波长 1或 2的光具有吸收行为的程度。 0064 通过将待分析的流体经由通道 9 传。