光纖裝置的製作方法

2023-12-09 03:53:01

專利名稱:光纖裝置的製作方法
本發明涉及一種光纖裝置，用於向其第一端傳輸入射光信號，並向第二端傳輸返回的光信號，該返回的光信號指示出第一端所在位置周圍物質的特性。更具體地講，本發明涉及一種插入在待分析液體中以測量該液體特性的光纖。
已知的利用光纖來傳輸表示出液體特性的光的傳感系統通常有一個與光纜末端連接的腔。該腔一般包括一個或幾個與待分析液體相配合的感受器點。腔的內部通常由能選擇性地滲透的隔膜與液體隔開。這種隔膜被設計成允許特定的(即要分析的)液體進入腔的內部，而排斥其它所有不需要的部分。已知傳感系統的例子見於美國專利4，357，106;4，344，438和參考31，879。
所述類型的已知傳感系統存在的一個問題是與光纜末端連接的腔的結構易出故障。由於這種已知的腔是作為一種外部附件位於光纜的末端，因此是很容易損壞的。對光纜裝卸的任何不慎就會容易導到該腔的損壞。
已知的傳感系統的另一個問題是很難將該腔與光纜的末端牢固地連接起來。許多傳感系統被設計成用作插入人體血管的導管。作為導管使用就要求腔非常小，要把如此小的腔連接到小的光纜上是非常困難的。此外，固定連接方面的故障會導致腔與光纖分離，這顯然會產生一系列問題。
本發明的一個目的是提供一種光纖裝置，該裝置向其第一端傳輸入射光信號，並向其第二端傳輸表示出所含液體特性的返回光信號，從而克服了先有技術的缺陷。
本發明的另一個目的是提供一種反應腔不需要與光纜末端連接的光纖裝置，從而消除了任何損害該腔的可能性。
本發明的再一個目的是提供一種能消除有關腔與光纜末端連接這類問題的光纖裝置。
根據本發明，提供了一個用於把入射光信號傳輸到位於液體內部的該裝置的第一端的光纖裝置。該裝置還把返回信號送到位於液體外面的第二端。該返回信號表示出所含液體的特性。該裝置包括一個在其第一端上形成有孔的能傳輸光的光纜。一個反應元件完全被插入在光纜末端的孔中。反應元件與待分析的液體反應，使返回的信號與入射光相比較改變了性質。從而使返回光表示出液體的特性。
在本發明的一些最佳實施例中，光纜的第一端可塗上一層有選擇性的或高反射性的材料。採用反射塗層的一個優點是能使更多的入射光被反射通過反應元件並傳輸到光纜的第二端。
還是在本發明的一些最佳實施例中，光纜的整個表面基本上被塗上一層保護層。採用保護層的一個優點是能使光纜更好地適用於作導管來插入到人體的血管中。保護層的另一個優點是有助於防止光從光纜中失散，從而使更多的光通過光纜傳輸。
還是在本發明的一些最佳實施例中，光纜末端的孔是採用諸如雷射加工，微型打孔或用化學蝕刻這類快速和精確的方法來形成的。這類形成孔的方法的一個優點是孔能被精確地形成。這類方法的另一個優點是許多光纜能這樣連續地形成，並得到同樣的規格，這樣可使光纜能大批量生產。
還是在本發明的最佳實施例中，反應元件包括可與配合體模擬配合的用於所關心的配合體的特定耦合介質(例如抗體)。例如，配合體模擬可包括帶有螢光基質的配合體標記，從而當配合體模擬被耦合到特定的耦合介質時，使所述標記出現量子產額(quantum yield)變化。在非標記配合體的情況下(由被分析的液體提供)，配合體模擬被從特殊的耦合介質中擠開，結果引起發射強度的變化。
本發明的一個特點是反應元件被整個地容納在光纜操作端的孔中。這種特點的一個優點是反應元件受到保護，從而避免了與外部異物接觸而可能造成的破壞。該特點的另一個優點是光纜在其整個長度上具有均勻的直徑。反應元件並不被固定在光纜的外表面，因此在傳感端上並不產生直徑增大區域。這就允許把光纜整個地容納在一個光滑的生物相容的塗層內，從而減少了用其它方法時會產生thrombogenicity可能性。這使光纜能更方便地作為(尤其在細小尺寸的血管中的)導管來使用。
在本發明的一個實施例中，光纜的第一端是平面，該平面與光纜的縱軸垂直，孔軸向地向光纜內延伸，並和光纜的外圓周同軸。但是，本發明的裝置無論是孔或是光纜第一端均不限於這種結構。
例如，孔相對於光纜的外表面並不需要徑向或軸向對稱。這樣，孔可在光纜的第一端上形成，以使其並不是集中地位於第一端面上，而且孔可和光纜的縱軸成一個角度地向內延伸。同樣，在光纜的第一端上可形成多於一個的孔，每個孔中置有不同的反應元件。
光纜的第一端也可以是平面，該平面與光纜的縱軸不成90°角。在這種結構中，孔可在第一端，同時孔的軸可與光纜的縱軸平行;或孔可在光纜接近第一端的外表面上，同時其軸與光纜的縱軸垂直。孔也可以是呈環狀的、在光纜接近第一端的外表面上圓周地延伸的槽。
此外，光纜的第一端可成截頭錐體狀(frusto-conically)或拋物面形，其孔軸向地向內延伸，孔的軸與光纜的縱軸平行。
本領域的技術人員通過下面所考慮的作為實現本發明最好方式例子的最佳實施例的詳細說明，必然會對本發明的其它目的，特點和優點理解得更加清楚，詳細說明中具體參照的附圖有圖1是光纖裝置的等角截面視圖;
圖2是概略地顯示光傳輸路徑的光纖裝置示意圖;
圖3a-3d是末端部分斷開的光纖裝置的側視圖，示出了形成光纖裝置的步驟;
圖4是末端部分截開的側視圖，示出了採用改進型光纜形成光纖裝置的最後步驟;
圖5是一個包括了圖1光纖裝置的光纖傳感系統的略圖;
圖6是一個末端部分截開的光纖裝置的側視圖，示出了一種改進的光纖裝置;
圖7是一個末端部分截開的光纖裝置的側視圖，示出了另一種改型的光纖裝置;
圖8是一個末端部分截開的光纖裝置的側視圖，示是了另一種改型的光纖裝置;
圖9是一個末端部分截開的光纖裝置的側視圖，示出了另一種光纖裝置的改型;
圖10是一個末端部分截開的光纖裝置的側視圖，示出了另一種光纖裝置的改型;
圖11是一個末端部分截開的光纖裝置的側視圖，示出了另一種光纖裝置的改型;
圖12是一個光纖裝置的端部視圖，示出了另一種改型的光纖裝置;
圖13是圖12光纖裝置的末端部分截開的側視圖。
現在參照附圖，圖1示出了一個光纖裝置10。光纖裝置10包括一根能傳輸光的光纜12。光纜12具有一個平面的第一端14，並與光纜12的縱軸垂直定向。光纜12還有一個外表面16和一個內部心線17。心線17是玻璃線，但也可用能達到所需光學性能的任何材料來構成。
在光纜12的第一端14的中央，通過雷射加工，微型打孔或用其它等同手段如此形成孔18，以使孔18大致地與第一端14的圓周同心。作為例子，孔18的直徑大約為光纜12直徑的三分之一。孔18的深度大約等於孔18的直徑。
反應元件20被塞入孔18，並完全地容納在孔18中。孔18可有選擇地復蓋一層孔隙率可選擇的半透明的膜(未示出)，以使反應元件20封閉在孔18中，並防止比分析材料大的物體進入孔18。如圖所示，反應元件是球形的，其尺寸可在幾百埃到幾微米範圍內。當然，反應元件也可以具有其它形狀，包括某聚合物或液體狀彌散基質，並限定所有的反應元件最好完全容納在孔18中。
反射塗層22可以塗敷在光纜12的第一端14上，同時，從第一端14軸向地向內延伸復蓋光纜12的部分外表面16。當光要穿過反應元件20並從光纜12的第一端14被反射(吸收)時，反射塗層22是需要的。在反應元件20吸收和再傳輸光(螢光)的場合，反射塗層也是有用的。當光被反應元件20反射並向著光纜12的第二端傳輸(光散射)時，就不使用反射塗層22。反射塗層22可直接塗敷在外表面16上，如圖1所示的那樣，或者，如果光纜12具有一個外部纖維套管24，如圖4所示，則外部纖維套管24是可在底部剝除的(stripped back)，並可把反射塗層22塗敷在光纜12所暴露的內部心線17上。反射塗層22應不蓋住孔18，因為若蓋住就會阻止反應元件20與第一端所在位置的周圍液體起反應。
另外，反射塗層22可被做成具有特定的波長，從而使一定波長的光被反射而使其它的光能從第一端14傳出。採用減小或消除穿過而又不與反應元件20相互作用的各種波長的光，這就顯著改善了系統確定所需信息量的效率。可使用傳統的光濾波技術製成特定波長的反射塗層22。
光纖裝置10可用下面的方法來準備。參照圖3a，3b，3c和3d，首先假定沒有使用反射塗層22。光纜12用微型打孔形成孔18，如圖3b所示。然後把反應元件20放入孔18內，以使其整個地容納在孔18中，如圖3c所示。然後在光纜12的整個外表面16上塗敷一層保護層26，如圖3d所示，用於保護裝置10。如果光纖裝置10被用作插入到人體的導管，保護層26被選擇成既有生物相容性又具有保護能力。防止人體損害儀器而選擇適合的材料這是本領域的技術人員所熟悉的。
如果要在光纜12上敷加反射塗層22，則在光纜12上微型打孔之前(作為第一步)先加上反射塗層22。如果必需對外部纖維套管24進行剝離，則首先要完成剝離，然後加上反射層22，接著是微型打孔步驟。在微型打孔之後，上面所述的各步驟，不論是使用還是不用反射層22均保持相同。
現在參照圖5，圖中示出的是一個光纖傳感系統28。傳感系統28包括光纖裝置10，光束分離器30，光源32，光接收器34和分析器36。
在工作時，傳感系統28的光纖裝置部分10插入到體內，(例如用一般的方法插入人體的血管內)。反應元件20與人體內物相互作用，為便於說明起見，認為該體內物是人體血管中的血液。血液與反應元件20之間的這種相互作用改變了其常態下的一個特性(這種反應不屬於本
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)。反應元件20是經這樣選擇的，以使血液或其它需要分析的液體的該特性通過反應元件20的性質變化而指示出來。
來自光源32的入射光38通過光束分離器30，並以常規的方式傳輸到光纖12的第一端14，最好如圖5所清楚顯示。當入射光38接近光纖12的第一端14時，由於可選擇的反射塗層22的作用使通過第一端14的入射光38的損耗減至最小。
現在參照圖2，入射光38可被反射塗層22反射，並通過孔18和其所包含的反應元件20。另外，一般在基本等於或大於入射光38波長的與已知反應元件20的吸收，光散射和發螢光現象相對應的波長上，入射光38可被反應元件20反射或吸收，並被傳輸回來。當入射光38通過反應元件20，或被反應元件20反射或被吸收，並從反應元件20傳輸回來時，光38常規的性質就被改變了。
如上所述，入射光38性質改變或變化的量取決於反應元件20同血液或人體其它液體相互作用的性質的變化。這樣，入射光38的變化是反應元件20和待分析液體之間反應的一個函數。如上所述，反應元件20和液體之間的反應表示出該液體的一個特性，因此，入射光38的變化也就表示出待分析液體的特性。
被改變的入射光38離開光纜12的第一端14傳輸，並稱之為返回光39，40，41，如圖2所示。返回光39代表了從反應元件20反射回來的光。返回光40代表通過反應元件20的光。在等於或大於入射光38波長下，從反應元件20，返回的光41代表由其吸收後傳輸回來的光。當然，如果在光纜12的第一端14加有反射塗層22，則返回光39，40，41也可包括從反射塗層22反射的部分入射光(38)。
現參照圖5，返回光40通過光束分離器30，該分離器用常規的方法從返回光40中分離出入射光38。然後返回光40通過光接收器34到達分析器36。分析器36用常規的方法把返回光40與入射光38進行比較，並測量該液體所需的特性。當然，本發明並不限於用於人體內部。待測試的液體，例如血液，可用傳統的方法從人體內抽出，並用光纖裝置10來分析這些抽出的血液。血液的特性可以是(但並不限於)藥品的含量，代謝物的含量，壓力，溫度和溶解的氣體等。
現參照圖6-13，這些圖示出了本發明可能的改型。圖6示出的光纜12具有平面第一端14，該平面相對於光纜12的縱軸不成90°角，例如成起偏振角。孔18與光纜12的外表面16的圓周同軸，並縱向向內延伸。反應元件20如圖所示的那樣為一種分散單體置於孔18內，而不象圖1和2所示的那樣採用球形體。
圖7所示的光纜12具有一個截頭錐體(frustaconical)狀的第一端14。孔18與光纜12的外表面16的圓周同軸，並縱向向內延伸。
圖8所示的光纜12具有一個拋物面形的第一端14。孔18與光纜12的外表面16的圓周同軸，並縱向向內延伸。
圖9所示的光纜12具有平面第一端14，該平面相對於光纜12的縱軸不成90°角，這類似於圖6中所示的光纜12。但是，孔18是在接近第一端14處的外表面16上徑向地向內延伸。
圖10所示的光纜12具有平面第一端14，而且該平面相對於光纜12的縱軸不成90°角，在該實施例中，孔18是一個繞光纜12圓周延伸的環形槽，並從光纜12外表面16徑向地向內延伸。
圖11所示的光纜12具有平面第一端14，而且該平面基本與光纜12的縱軸垂直，在第一端面14上的孔18穿過反射塗層22延伸，不與光纜12的外表面16同軸，並與光纜12的縱軸成一角度向內延伸。一層耐磨的塗層60如圖所示的那樣復蓋在反射塗層22上。耐磨塗層60用來保護第一端面14和反射塗層22。耐磨塗層60被選擇成既有生物相容性又具有保護能力。
圖12和13所示的光纜12具有平面第一端14，同時該平面和光纜12的縱軸基本垂直。在第一端面14上形成有5個孔18，這些孔在第一端面的表面14上相互隔開。5個孔18可允許裝入不同類型的反應元件。(圖示的是包含在光纜12中的反應元件50，52，54，56，58)上述每種反應元件同入射光38產生不同的相互作用，從而使光接收器34和分析器36僅用一根光纜12就能對人體內的一種以上的特性同時進行光譜分析。不用說，光源32，光接收器34和分析器36將必然是更複雜的組成部件，這是因為需要從返回光39，40，41的信息中進行信號分離。
本發明圖6-13中所示的各種改型具有這樣的特點，即有利於根據待分析液體的類型，以及其它諸如使用入射光38的類型等因素來選用。不用說，可能影響最適合於給定使用的具體改型的選擇因素是多種多樣的。
雖然本發明已參照最佳實施例和具體例子作了詳細說明，但在本發明的如下面權利要求
書中所描述和限定的範圍和精神內，存在著各種變化和改型。
權利要求
1.一個細長的光纖裝置，用於向位於液體中的該裝置的第一端傳輸入射光信號，並向位於液體外面的該裝置的第二端傳輸返回的光信號，該返回的光信號表示出液體的特性，其特徵在於該裝置包括--能夠傳輸光的光纜；--在光纜的第一端上形成的孔；--插入在所述孔中的反應元件，用於與液體的成份起反應，以改變光的性質，由此表示出液體的特性。
2.權利要求
1的裝置，特徵在於還包括在光纜的第一端塗敷的反射材料層。
3.權利要求
2的裝置，特徵在於其中反射塗層具有特定的波長，即使一定波長的光信號能被反射塗層反射，而其它波長能穿過反射塗層。
4.權利要求
1的裝置，特徵在於其中光纜塗有保護層。
5.權利要求
1的裝置，特徵在於其中光纜具有一個中心縱軸，及所述孔從所述第一端軸向地向內延伸到所述光纜中。
6.權利要求
1的裝置，特徵在於其中光纜具有一個中心縱軸，而且所述孔也具有一個中央縱軸，同時孔從所述光纜接近所述第一端的外表面徑向地向內延伸，以使孔的中心軸基本垂直於光纜的中心軸。
7.權利要求
1的裝置，特徵在於其中所述的孔是一個在所述光纜接近第一端的外表面環繞圓周延伸的環形槽。
8.權利要求
1的裝置，特徵在於其中所述光纜的第一端是平面，所述光纜具有一個中心縱軸，由所述光纜的第一端和所述光纜的中心軸所限定的角是直角。
9.權利要求
1的裝置，特徵在於其中所述光纜的第一端是平面，所述光纜具有有一個中心縱軸，由所述光纜的第一端和所述光纜的中心軸所限定的角是非直角。
10.權利要求
9的裝置，特徵在於其中由所述光纜的第一端和所述光纜的中心軸限定的所述角是偏振角。
11.權利要求
1的裝置，特徵在於其中所述光纜的第一端是截頭錐體形的。
12.權利要求
1的裝置，特徵在於其中所述光纜的第一端是拋物面形的。
13.一種檢測液體成分特性的傳感系統，特徵在於該系統包括-一個光源;-權利要求
1-12中任何一個光纖裝置;-與光纜第二端保持聯繫的裝置，以檢測由光纜傳輸的返回光;和-用於分析所述反射光的裝置，從而測定液體的特性。
專利摘要
一個細長的光纖裝置，用於向位於待分析液體中的該裝置的第一端傳輸光信號，並向位於液體外面的該裝置的第二端傳輸返回的光信號，返回光信號指示出液體的特性。該光纖裝置包括在其第一端形成孔的能傳輸光的光纜。反應元件基本上整個地置於該孔中，反應元件與液體起反應，以改變光的性質，由此指示出液體的特性。
文檔編號G02B1/00GK87100936SQ87100936
公開日1987年9月23日 申請日期1987年2月23日
發明者戴維·利普森, 班傑明·劉, 尼古拉斯·加斯頓·洛貝爾 申請人:伊萊利利公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan