傳感器的詢問的製作方法

2023-05-04 04:04:11 3

專利名稱：傳感器的詢問的製作方法
技術領域：
本發明涉及改變全息傳感器光學特性的方法。
背景技術：
全息傳感器可用於探測多種分析物。W095/26499公開了一種基於體積全息圖的全
息傳感器。該傳感器包含對分析物敏感的基質，該基質具有遍布其體積內而布置的光學轉
換結構。由於這種轉換器的物理排列，使傳感器產生的光學信號對由於與分析物的相互作
用或反應而發生在對分析物敏感的基質內的體積變化或結構重排非常敏感。 W003/087899公開了一種使用全息傳感器進行連續傳感的方法。該方法中，含有分
析物的流體流過傳感器，使分析物與全息承載介質(supporting medium)發生可逆反應。

發明內容
本發明基於全息傳感器感知物理相互作用——例如存在溫度、磁場、電場或其他
輻射場、光和/或壓力——的實現。傳感器，例如其中承載全息圖的介質受物理相互作用影
響的體積全息圖，發生可觀測到的變化。光學特性的上述變化優選是可逆的。 根據本發明，傳感方法包括向全息傳感器施加傳感器對其敏感的外部物理影響，
並觀察圖像的變化。該物理影響可理解為使其中承載有全息元件的介質的物理屬性發生變
化的遠程或直接詢問。 全息傳感器可對物理影響——例如溫度、磁力、光和/或壓力——敏感。本發明與安全/鑑定特別相關。觀察到的變化，即傳感器光學特性的變化，可通過眼睛直接觀測，或使用任何適宜的裝置，例如分光計檢測。
附圖簡述

圖1為峰值波長(nm)隨溫度(°C )變化的圖；並且
圖2為強度(計數)隨時間(mins)的變化圖。 圖3是根據一個實施方案的全息傳感器的側視圖，該全息傳感器包括在承載介質中記載的體積全息圖。
具體實施例方式
本發明中使用的全息傳感器通常包含全息承載介質以及遍布在介質體積內而布置的全息圖。圖3是根據一個實施方案的全息傳感器10的側視圖，該全息傳感器包括在承載介質30中記載的體積全息圖20。本發明方法優選涉及使用其中承載介質對物理屬性(例如溫度)敏感的傳感器。通過對傳感器進行詢問，其(本身的(local))物理屬性會發生變化，導致承載介質的屬性改變。這引起元件光學特性的改變。
該傳感器可通過任何適宜的手段進行詢問。作為遠程詢問的實例，當功率適宜的 雷射照射傳感器時，可導致承載介質膨脹。因此本發明的傳感器可為光可尋址的。
其他形式的詢問為非遠程的，並且包括以壓縮或者拉伸的方式直接施加壓力，例 如手動或通過施加一個重量來施加壓力。全息圖可對物理作用——例如無論是升高的或降 低的溫度——敏感。 發生變化的承載介質的屬性可以是其電荷密度、體積、形狀、密度、粘度、強度、硬 度、電荷、疏水性、溶脹性、完整性(integrity)、交聯密度或任何其他物理屬性。這種屬性的 變化導致全息元件的光學特性——例如極化性、反射率、折射率或吸收率——改變。如果在 全息圖通過入射寬頻帶的、非離子型電磁輻射再現時發生任何變化，光學屬性將發生改變 並且可觀察到例如色彩或強度的變化。 改變的屬性優選是承載介質的尺寸或體積。這可通過向承載基質中引入可導致承 載介質膨脹或收縮的基團來實現。承載介質優選含有具有粘彈性的天然或改性的基質。
在一個優選的實施方案中，承載介質含有螺吡喃基團或其衍生物。螺吡喃在暴露 於UV光時，發生向部花青的可逆轉變。該轉變過程伴隨有電荷的增多，並且可導致承載介 質膨脹。該轉變可通過用可見光或熱對傳感器進行詢問而顛倒。 為了在承載介質中獲得磁轉變，介質可含有鐵磁聚合物，或者一種或多種"分子磁 體"。分子磁體已知並且可合成為可聚合單體。 全息傳感器可包括多個全息元件，各元件對不同的屬性敏感。全息元件可為陣列 形式。 全息圖可為，例如透射全息圖或反射全息圖。在反射全息圖中，條紋平行於承載介 質的表面；這導致光線在入射光線所進入的相同表面上離開。條紋的幾何形狀提供可對溫 度的變化尤為敏感的全息圖。 傳感器對外部物理相互作用的敏感性可源於傳感器或承載介質的本體屬性(bulk properties)。或者，也可源於全息元件的化學變化或其他改性；這對更敏感的反應和/或 遠程詢問可能尤為合適。 如實施例2所闡述的，光敏感全息圖可通過用光對傳感器進行詢問來製得，全息 圖的屬性可以使全息元件的光學特性發生變化的方式來改變。在實施例2中，使用了具體 的漂白方式，但應理解的是其他方式也是合適的。漂白方式和/或聚合物骨架的改變可用 於調節光敏性。類似地，其他物理影響可用於調節光敏性並從而調節傳感器的響應。
另一種光敏全息傳感器還可使用在UV詢問下發生反_順光致異構化過程的偶氮 苯部分(azobenzene moiety)來製造。這樣改變承載全息圖像的介質的混合自由能，並從 而導致相關全息圖的光學屬性改變。另一條途徑涉及將三苯甲烷無色染料引入全息圖中。 這樣的染料在UV光的存在下光解，生成使全息基質溶脹的帶電物質，從而改變全息圖像。
特別地，對於雷射敏化的傳感器而言，介質優選為由彈性單體組成的聚合物。或 者，全息介質可含有一種聚合物，例如聚(N-異丙基丙烯醯胺)("NiPA匪")，該聚合物具有 對溫度變化高度敏感的構象。當溫度升高時，剛性聚合物結構瓦解，使反射波長顯著移位。
本發明特別涉及安全性。例如，鑑定標籤(authentication tag)可包括具有內置 "信息"的全息傳感器。當用例如磁場對傳感器進行詢問時，傳感器顯示該"信息"。該"信 息"優選可直接通過肉眼看到。
5
磁場具有用作安全特徵的潛力。例如，僅通過將磁體掃過全息圖，得到的磁場將改 變全息圖的色彩和圖像，即表明為正品。此外，它們可用於生成其上具有全息圖的集成磁條 (如信用卡上的磁條)。 壓力傳感器可用於食品的質量監控，在食品的質量監控中，使用真空或加壓的大 氣使產品密封並保持其新鮮。真空度的下降或加壓大氣的減少將改變全息圖。另外，這可 以是觸壓其就會改變色彩或圖像以表明全息圖是真品的鑑定物件(feature)。
本發明其他的溫敏性實施方案有隨著例如發酵系統的環境溫度而改變顏色的設 備，或者可使用光從遠程進行詢問的替代、無功耗(power-free)溫度計。另外的實施方案 有當其接近體溫時(例如，將手指按在上面時，)改變顏色的安全設備或者用於細菌或人類 診斷監控中的一部分傳感器陣列。 傳感器可對分析物敏感，所述分析物為化學物質、生化物質或生物物質。本發明涉 及在樣品中探測任何這樣的分析物的方法，包括將樣品與傳感器接觸，並探測其光學特性 的任何變化。 本發明還涉及包括根據本發明傳感器的物品，其中所述物品為一個物件 (device)，例如交易卡、紙幣、護照、身份證、智慧卡、駕駛執照、股票、債券、支票、支票卡、 稅票(tax banderole)、禮券、郵票、火車票或飛機票、電話卡、彩票卡、賽事票(event ticket)、信用卡或籤帳卡、業務名片或為了區分正宗產品和假冒產品或用於識別被盜產品 而在消費者、品牌或產品保護中所使用的物品。所述物品還可為一種智能包裝物品，所述智 能包裝物品是一種包括容器、包裝物或封裝物以監控、測試或指示有關質量或影響產品質 量、貯存期限或安全性的環境條件的產品信息的系統。 一般應用包括顯示時間_溫度、新鮮 度、溼度、酒精、氣體、物體損傷等的指示器。 物品可為工業品或手工藝品，包括選自珠寶品的裝飾元件、服飾品(包括鞋襪)、 紡織品、家具、玩具、贈品、家用品(包括陶器和玻璃器皿)、建築物(包括玻璃、瓷磚、塗料、 金屬、磚塊、陶瓷、木材、塑料以及其他內部和外部設施)、藝術品(包括圖片、雕塑、陶瓷和 照明設施)、文具(包括賀卡、專用信紙和宣傳資料)以及體育用品。所述物品可為用於 農業研究、環境研究、人類或獸類的預測性診斷(prognostics)、治療診斷、診斷、治療或化 學分析中的產品或設備，所述產品或設備可為測試條、晶片、盒式貯存器(cartridge)、拭子 (swab)、管、移液管、接觸透鏡、結膜下移植物、皮下移植物、測醉試驗器、導管或者流體取樣 或分析設備。 本發明還涉及包括本發明傳感器的可轉移全息膜。全息膜可存在於熱衝壓帶 (stamping tape)上或可通過將傳感器從膜中轉移到物品上以用來提高物品的安全性。
本發明還涉及包括能產生數據的本發明傳感器以及使用這些數據進行數據讀操 作、處理、存儲、控制、傳輸、分布、報告和/或建模的系統的產品。這樣的系統包括移動電 話、私人數字秘書和其他可攜式電子設備。
以下實施例用於解釋本發明。
實施例1 將摩爾比為24 : 1的N-異丙基丙烯醯胺和N， N'-亞甲基雙丙烯醯胺(MBA)溶 於二甲基亞碸(DMS0)中，以形成40wt^ (總單體)溶液。然後向單體溶液中加入適量的、 2， 2- 二甲氧基-2-苯基苯乙酮(DMPA)的5%甲醇溶液以使DMPA的終濃度為0. 24% 。
使用UV光使80 1單體溶液的等分試樣在矽烷化玻片下聚合60分鐘。使用銀擴 散法在這些聚合物中記錄全息圖。 將全息圖培養(incubated)在盛放在4ml試管中的3. 7ml、20mM磷酸鈉緩衝鹽水 中(pH 6. 5，3(TC，離子濃度為50mM)。試管溫度通過外部水浴調節，並測量本體溶液中的溫 度。 由在銳角處獲得的光譜數據記錄峰衍射波長。所有測量結果反映了在平衡時發出 的最終峰波信號。結果示於所附圖l中。
實施例2 由基於明膠的全息圖製造光敏全息傳感器。將得到的全息圖用含有KBr的基於 Fe(III)的製劑漂白以得到光敏全息條紋。然後將光敏全息傳感器暴露於白光中IOOO分 鍾，並在實驗的過程中對由全息圖衍射的光的強度進行監控並將其記錄下來，如附圖中的 圖2所示。觀察到衍射信號的強度(反射率)在暴露於白光的前200分鐘內下降了 15%。 並且，該結果是肉眼可見的。
實施例3 用2 : l的丙烯醯胺甲基丙烯醯胺和5X的交聯劑MBA製備丙烯醯胺共聚物。 將200 iU單體溶液聚合至經過處理的玻片上以得到厚的聚合物層。當聚合物浸泡在水浴 中時，用Nd:YAG倍頻雷射在該聚合物內記錄全息圖，得到在去離子水中表現為529nm的綠 色衍射信號(再現)。然後將全息圖用第二個玻片覆蓋，並用一對間隔約15mm的G形夾夾 住。待這對G形夾夾緊以後，它們之間的全息圖的衍射信號(再現)變化至526nm，注意不 要使玻片破裂。夾子對全息圖的壓力導致全息圖的體積收縮，從而引起全息信號藍移總共 3nm。 實施例4 可按照W003/062305和Zaidi等人在《聚合物(Polymer)》45(2004)5683-89中 所述，由聚苯胺(PANi)和一種受體分子四氰代二甲基苯醌(TCNQ)合成PANiCNQ共聚物， 所述文獻的內容通過引用的方式納入本申請中。這得到一種在室溫下表現出磁性能的聚 合物材料。該聚合物可塗布至玻璃表面並就這樣使用或使含有交聯劑的共聚單體擴散至 PANiCNQ中並使它們聚合從而交聯。然後可使用銀擴散將PANiCNQ聚合物作為記錄材料得 到全息圖，如W095/26499所述。或者，可使用UV雷射使單體溶液交聯得到無銀全息圖，如 W02004/081676所述。 由於整個聚合物具有磁性，當用磁場進行詢問時，可導致該聚合物膨脹或收縮，從 而當用白光照射時分別紅移或藍移全息圖的衍射波長(再現)。這可用於量化磁場或在適 當磁場的存在下引起全息圖的色彩/圖像變化。
權利要求
一種傳感方法，包括向全息傳感器施加外部物理影響，其中該傳感器是在承載介質中記載的體積全息圖，所述承載介質對外部物理影響直接敏感，其中所述體積全息圖產生全息圖像；以及觀察所述全息圖像的變化；其中所述外部物理影響是觸壓，以及其中所述全息圖像的變化是色彩變化或圖像變化，以顯示所述體積全息圖是真品。
2. 權利要求l的方法，其中所述承載介質的尺寸、形狀、密度、粘度、強度、硬度、疏水性、溶脹性、完整性、極化性和/或電荷分布發生改變。
3. 權利要求l的方法，其中所述承載介質含有聚合物。
4. 權利要求l的方法，其中所述全息圖像的變化是可逆的。
5. 權利要求l的方法，其中所述體積全息圖包括反射全息圖。
6. 權利要求l的方法，其中所述體積全息圖在白光、UV光或紅外輻射下可見。
7. —種傳感方法，包括向全息傳感器施加該傳感器對其敏感的外部物理相互作用，並觀察全息圖像的變化。
8. 權利要求8的方法，其中所述外部物理影響為溫度、磁力、光和/或壓力。
9. 權利要求7或權利要求8的方法，其中所述傳感器包括對外部物理影響敏感的承載介質中的全息元件。
10. 權利要求7或權利要求8的方法，其中所述承載介質含有螺吡喃基團或部花青基團。
11. 權利要求9的方法，其中所述承載介質含有分子磁體。
12. 權利要求9至11中任一項的方法，其中介質的尺寸、形狀、密度、粘度、強度、硬度、疏水性、溶脹性、完整性、極化性和/或電荷分布發生改變。
13. 權利要求9至12中任一項的方法，其中所述介質含有聚合物。
14. 權利要求13的方法，其中所述聚合物為彈性體。
15. 權利要求13的方法，其中所述聚合物為聚(N-異丙基丙烯醯胺)。
16. 前述權利要求中任一項的方法，其中光學特性的改變是可逆的。
17. 前述權利要求中任一項的方法，其中全息圖包括反射全息圖或透射全息圖。
18. 前述權利要求中任一項的方法，其中全息圖在白光、UV光或紅外輻射下可見。
19. 權利要求1至16中任一項的方法，其中全息圖在特定的溫度、磁力或壓力條件下可見。
20. 前述權利要求中任一項的方法，其中所述傳感器為交易卡、紙幣、護照、身份證、智慧卡、駕駛執照、股票、債券、支票、支票卡、稅票、禮券、郵票、火車票或飛機票、電話卡、彩票卡、賽事票、信用卡或籤帳卡、業務名片、或為了區分正宗產品和假冒產品或用於識別被盜產品而在消費者、品牌或產品保護中所使用的物品。
21. 權利要求1至19中任一項的方法，其中所述傳感器為本發明所定義的智能包裝物PR o
22. 權利要求1至19中任一項的方法，其中所述傳感器為工業品或手工藝品，包括選自珠寶品的裝飾元件、服飾品(包括鞋襪)、紡織品、家具、玩具、贈品、家用品(包括陶器和玻璃器皿)、建築物(包括玻璃、瓷磚、塗料、金屬、磚塊、陶瓷、木材、塑料以及其他內部和外部設施)、藝術品(包括圖片、雕塑、陶瓷和照明設施)、文具(包括賀卡、專用信紙和宣傳資料)以及體育用品。
23. 權利要求1至19中任一項的方法，其中所述傳感器為用於農業研究、環境研究、人類或獸類的預測性診斷、治療診斷、診斷、治療或化學分析中的產品或設備。
24. 權利要求23的方法，其中所述產品或設備為測試條、晶片、盒式貯存器、拭子、管、移液管、接觸透鏡、結膜下移植物、皮下移植物、測醉試驗器、導管或者流體取樣或分析設備。
全文摘要
一種傳感方法，包括向全息傳感器施加該傳感器對其敏感的外部物理相互作用，並觀察全息圖像的變化。
文檔編號B42D15/10GK101788458SQ200910261729
公開日2010年7月28日 申請日期2005年7月19日 優先權日2004年7月19日
發明者A·P·詹姆斯, C·R·洛, J·布萊思 申請人:劍橋企業有限公司