專利名稱：硫系纖維、紅外倏逝波傳感器及其制作過(guò)程的制作方法
硫系纖維、紅外倏逝波傳感器及其制作過(guò)程
本發(fā)明涉及使用倏逝紅 外波的硫系纖維傳感器。
硫系玻璃是具有低熔融溫度和低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的玻璃，所述玻璃是高原始材料，難以被合成及控制。它們的性能極大地?cái)U(kuò)展了纖維倏逝波光譜傳感器(FEWS)的靈敏度。 更加確切地說(shuō)，這些含有硫、硒和/或碲的玻璃允許光線通過(guò)寬的紅外波長(zhǎng)范圍，對(duì)于傳統(tǒng)氧化玻璃則不是如此。另外，材料的玻璃特性允許在其中形成以制造光纖。最后，它們是涉及到化學(xué)元素的玻璃，這些化學(xué)元素在元素周期表中十分接近，因此彼此之間保持了高度共價(jià)鍵?；瘜W(xué)鍵的這種特性使得材料疏水，當(dāng)它們?cè)诟吆橘|(zhì)如生物樣品中被作為傳感器使用時(shí)，這一點(diǎn)最具正面意義。
這個(gè)傳感器的一個(gè)有效應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)樯镝t(yī)學(xué)領(lǐng)域。
J. Keirsse、C. Boussard-Pledel> O. Loreal> O. Sire、B. Bureau> P. Leroyer> B. Turlin 和 J. Lucas 在 Vibrational Spectroscopy 32(2003)上第 23 到 32 頁(yè)的文獻(xiàn)“IR optical fiber sensor for biomedical applications” 描述了所述傳感器在中紅外范圍中的原理。在這個(gè)設(shè)備中，單纖維Te2As3Se5被作為波導(dǎo)和檢測(cè)元件使用。這個(gè)纖維具有范圍為800至4000CHT1的譜窗。為了提高這個(gè)傳感器的靈敏度，它的直徑局部地減小以創(chuàng)造接觸被分析的樣本的錐形U形檢測(cè)區(qū)。這個(gè)纖維的400微米直徑在這個(gè)檢測(cè)區(qū)中減到100 微米。該纖維結(jié)合到FTIR光譜儀上。測(cè)量的原理是發(fā)送紅外波進(jìn)入纖維，該紅外波通過(guò)在纖維外表面上連續(xù)不斷地反射沿著纖維傳播。在檢測(cè)區(qū)中與樣本接觸，沿著纖維外壁傳播的倏逝波被目標(biāo)物質(zhì)部分地吸收。光譜儀分析在纖維另一端接收的波以此推斷在樣本上的信息。
Pierre Lucas> Mark R. Riley、Catherine Boussard_Pl6del 和 Bruno Bureau 在 Analytical Biochemistry (2006)第 I 到第 10 頁(yè)上的文獻(xiàn)“Advances in chalcogenide fiber evanescent wave biochemical sensing”描述了硫系纖維傳感器,其詳述了纖維的曲率半徑取決于它的直徑并且100微米的纖維可以達(dá)到2厘米。
由該傳感器產(chǎn)生的問(wèn)題是其緊湊性的缺乏、脆性和檢測(cè)區(qū)的低靈敏度。
本發(fā)明試圖獲得這樣一種傳感器，其使用至少一個(gè)硫系玻璃纖維，通過(guò)倏逝波吸收原理運(yùn)行，該傳感器結(jié)構(gòu)緊湊，具有魯棒性，并且對(duì)目標(biāo)分子的中紅外信號(hào)敏感。
本發(fā)明的第一個(gè)主題是符合這些標(biāo)準(zhǔn)的傳感器，其包括允許至少在0. 8和25微米之間的一個(gè)紅外波長(zhǎng)中紅外線的傳播的至少一個(gè)纖維，并且向外產(chǎn)生倏逝波以檢測(cè)外界介質(zhì)的紅外信號(hào)，所述至少一個(gè)纖維是XY型的組合物，其中X選自Ge、As或Sb或這些成分中兩種或多于兩種的混合物，而Y選自S、Se、Te或這些成分中兩種或多于兩種的混合物，
該纖維在其長(zhǎng)度上接連地包括引導(dǎo)紅外波的第一纖維段；至少一個(gè)具有檢測(cè)功能的第二纖維段并且其趨向于接觸外界介質(zhì)以檢測(cè)擾動(dòng)沿著纖維傳播的倏逝波傳播的紅外信號(hào)；以及引導(dǎo)紅外波的第三纖維段，
其特征在于
在具有檢測(cè)功能的第二纖維段中，該纖維由至少一個(gè)曲率半徑局部地小于2. 3毫米的彎曲部分形成。
意想不到的是，由于這個(gè)小曲率半徑，傳感器在接觸帶處的靈敏度增加了。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，第二纖維段(25)的彎曲部分在試圖將屬于彎曲部分的兩個(gè)分離點(diǎn)靠攏在一起的方向上的機(jī)械壓縮強(qiáng)度等于或高于IN。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，所述至少一個(gè)彎曲部分具有的纖維曲率半徑等于或小于I毫米。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，第一纖維段(23 )和第三纖維段通過(guò)垂直于纖維長(zhǎng)度的小于2. 8mm的寬度與對(duì)方相隔,并且占據(jù)了垂直于纖維長(zhǎng)度的小于2. 8mm的寬度的空間。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，彎曲部分(28)包括繞組。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，彎曲部分(28)包括擁有至少一個(gè)線匝的繞組，
第二纖維段(25)的彎曲部分在試圖將屬于彎曲部分的兩個(gè)分離點(diǎn)靠攏在一起的方向上具有的機(jī)械壓縮強(qiáng)度等于或高于IN每線匝。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，在繞組中纖維的至少一個(gè)橫向尺寸(Dl)小于在第一和第三段中纖維的至少一個(gè)橫向尺寸(D2)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，第二纖維段具有的纖維直徑(或厚度D2)在50到450 微米之間。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，在第一、第二和第三段(23、25、27)上，纖維具有的厚度在50到450微米之間，該厚度在這些第一、第二和第三段(23、25、27)上是恒定的。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，第一和第三纖維段插入保護(hù)鞘中，第二段至少部分地從鞘的一端伸出，并且其趨向于接觸被檢查的介質(zhì)，不論所述介質(zhì)是固體和/或液體和/ 或氣體。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，第一和第三纖維段插入醫(yī)療診斷設(shè)備的手術(shù)通道中，第二段至少部分地從通道的一端伸出，并且趨向于接觸體內(nèi)和/或體外的組織或生物體液。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，X在重量上的比例等于或高于10%且等于或低于 70%，而Y在重量上的比例等于或高于30%且等于或低于90%。
本發(fā)明的第二個(gè)主題是用于制造如上文描述的所述傳感器的方法，其特征在于
硫系纖維具有XY型的組合物，其中X選自Ge、As或Sb或者這些成分中兩種或多于兩種的混合物，而Y選自S、Se、Te或這些成分中兩種或多于兩種的混合物，硫系纖維具有玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg，該纖維在其長(zhǎng)度上接連地包括，在纖維的第一和第二端兩端之間，第一纖維段、以形成第二纖維段的中間部分和第三纖維段，
具有橫向尺寸小于4. 6毫米的接觸帶的芯被加熱至一定的溫度，而纖維的中間部分貼靠所述芯的接觸帶被放置，使得與芯帶接觸的中間部分具有的溫度T2為
1. 05. W1. 5. Tg,
纖維的中間部分以至少180°的纏繞角纏繞芯的接觸帶以形成在所述纖維的中間部分中的所述彎曲部分，因而形成具有曲率半徑局部地小于2. 3毫米的所述第二纖維段。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施案例，芯包括第一和第二部分，所述接觸帶放置在第一和第二部分之間，芯由第一和第二部分中的至少一個(gè)加熱。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，芯是具有任意橫截面的圓柱。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，溫度T2超過(guò)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg10%到20%。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，中間部分具有的纖維直徑(D2)在50到450微米之間。
參考附圖以及閱讀作為非限制性實(shí)例單獨(dú)給出的以下描述將更好地理解本發(fā)明， 在這些附圖中
-

圖1示意地顯示了根據(jù)本發(fā)明的傳感器的第一實(shí)施方案的放大透視圖，
-圖2是本發(fā)明的傳感器的檢測(cè)區(qū)在彎曲前示意性地縱向截面圖，中間部分具有的直徑可以等于部分I和3的直徑，
-圖3、4和5是根據(jù)本發(fā)明的傳感器的第二、第三和第四個(gè)實(shí)施方案的放大的、示意性的透視圖，
-圖6示意性地顯示了使用本發(fā)明的傳感器的設(shè)備，-圖7是使用本發(fā)明的傳感器的內(nèi)窺鏡管的放大的透視示意圖，-圖8是根據(jù)本發(fā)明的在制造方法的一步上傳感器纖維的放大的示意性的側(cè)視
圖，
俯視圖，
-圖9是圖8中根據(jù)本發(fā)明在制造方法的一步上的傳感器纖維的放大的示意性的-圖10是根據(jù)本發(fā)明的作為波長(zhǎng)函數(shù)的纖維的一個(gè)實(shí)例的吸光度的視圖。在附圖中，傳感器I包括屬于硫系玻璃的纖維2。所述纖維具有XY型的組合物，其中X選自Ge、As或Sb或這些成分中兩種或多于兩種的混合物，而Y選自S、Se、Te或這些成分中兩種或多于兩種的混合物。例如，X在重量上的比例等于或高于10%且等于或低于 70%,而Y在重量上的比例等于或高于30%且等于或低于90%。該纖維用于引導(dǎo)紅外波。
在實(shí)施方案的一個(gè)實(shí)例中，纖維是As2Se315
在實(shí)施方案的另一個(gè)實(shí)例中，纖維是Te2As3Se5。
傳感器I的纖維2在第一端21和第二端22之間的一般縱向L上延伸。纖維2從第一端21到第二端22包括引導(dǎo)紅外波的第一纖維段23，這個(gè)第一段23在其遠(yuǎn)離第一端 21的一側(cè)連接到第二檢測(cè)段25的第一點(diǎn)24，所述第二段25經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)離第一點(diǎn)24的第二點(diǎn) 26連接到引導(dǎo)紅外波的第三纖維段27。
在一個(gè)實(shí)施方案中，纖維2的第二檢測(cè)段25在至少一種尺寸中具有橫向?qū)挾菵1、 直徑Dl或橫截面Dl，其小于第一段23的橫向?qū)挾菵2或直徑D2或橫截面D2，并且其也小于第三段27的橫向?qū)挾菵2、直徑D2或橫截面D2。纖維2的第二檢測(cè)段25在第一和第二連接點(diǎn)24、26之間，也在第一段23和第三段27之間沿著纖維的非零長(zhǎng)度LI延伸。
例如，在第一段23和第三段27中的纖維2具有約為400微米的平均直徑D2，同時(shí)在第二檢測(cè)段25中的纖維2在第二檢測(cè)段的約為10厘米的長(zhǎng)度LI上具有約為100微米的平均直徑D1。第一段23的長(zhǎng)度長(zhǎng)于第二檢測(cè)段25的長(zhǎng)度。第三段27的長(zhǎng)度長(zhǎng)于第二檢測(cè)段25的長(zhǎng)度LI。
第一連接點(diǎn)24例如通過(guò)橫截面從第一段23到第二檢測(cè)段25逐漸變窄的區(qū)域而形成，成為如圖2中所示的截錐形。第二連接點(diǎn)26具有橫截面，例如其從第二檢測(cè)段25到第三段27逐漸變寬，成為如圖2中所示的截錐形。在第一和第二連接點(diǎn)24、26之間，第二檢測(cè)段25例如具有恒定的橫向?qū)挾菵l和/或恒定的橫向直徑Dl和/或恒定的橫截面Dl。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，纖維2的第二檢測(cè)段25在至少一個(gè)尺寸上具有的橫向?qū)挾?或厚度)、直徑或橫截面等于第一段的橫向?qū)挾然蛑睆交驒M截面，和/或等于第三段27的橫向?qū)挾?或厚度)、直徑或橫截面。例如，纖維2在第一、第二和第三段23、25和27中具有恒定的橫截面和/或直徑。
在一個(gè)實(shí)施方案中，纖維，在第一、第二和第三段23、25和27上，具有的纖維直徑 (或厚度)例如在50和450微米之間。
例如在一個(gè)實(shí)施方案中，在第一、第二和第三段23、25、27上,纖維具有的在50和 450微米之間的直徑(或厚度)在這些第一、第二和第三段23、25、27上是恒定的。
第二檢測(cè)段25趨向于接觸外界介質(zhì)以檢測(cè)由這個(gè)外界介質(zhì)造成的對(duì)在纖維2中紅外波的傳播的擾動(dòng)，并且形成傳感器的檢測(cè)頭。第一和第二段23、27是傳送紅外波的段。
圖2通過(guò)纖維2內(nèi)的粗箭頭象征性地顯示了從第一端21發(fā)送的紅外波O到段23 中的路徑。由于在第二檢測(cè)段25中的纖維2的橫截面變窄，在這個(gè)第二檢測(cè)段25中有更多波的反射對(duì)著纖維2的外表面20。
當(dāng)外界介質(zhì)與第二檢測(cè)段25接觸時(shí)，由于部分波O朝向外界介質(zhì)從第二段25經(jīng)過(guò)，因此在這個(gè)第二段25中波O的傳播受到擾動(dòng)。
因此，第二檢測(cè)段25與外界介質(zhì)的接觸將在從第一段23被傳送到第三段27的波 O上產(chǎn)生影響。
根據(jù)本發(fā)明，第二檢測(cè)段25包括至少一個(gè)具有的纖維曲率半徑小于2. 3毫米的彎曲部分28。
彎曲部分28是在繞組形式中，例如其具有一個(gè)或多個(gè)線匝，或例如其可以為螺線管形狀。在另一個(gè)實(shí)例中彎曲部分28可以為U形。第二段是在例如開環(huán)的形式中。明顯地有可能具有任意數(shù)量的彎曲部分28，也就是說(shuō)η個(gè)任意幾何圖形的開環(huán)，η > I。
在圖2中，第二檢測(cè)段25在被彎曲以形成彎曲部分28之前被表示為直線形。
例如,在彎曲后,段23和27相互面對(duì)。例如,段23和27相互平行。
例如，第二段25的彎曲部分28的曲率半徑等于或小于1. 4mm，并且特別地等于或小于Imm0
例如，在如圖所示的實(shí)施方案中，第一纖維段23和第三纖維段25通過(guò)垂直于纖維長(zhǎng)度的小于2. 8mm的寬度相隔,并且占據(jù)垂直于纖維長(zhǎng)度的小于2. 8mm的寬度的空間。
第二段25的一些實(shí)施方案被表不在圖1、3、4和5中。
在圖1、3和5所示的實(shí)施方案中，彎曲部分28為繞組形且具有一個(gè)或多個(gè)例如圓形的線匝29。
在圖1所示的實(shí)施方案中，彎曲部分28形成一個(gè)半的線匝29并且?guī)缀跗椒旁诙?23和27的大致平面中，繞組28以擴(kuò)展的形式表示在圖1的頂端以顯示繞組28的不同部分。通常的，繞組的每一個(gè)線匝29可以平放在平面中。
在圖3表示的實(shí)施方案中，部分28的繞組的線匝29通常為被連接到段23和27 并且相互面對(duì)的螺旋形，例如其也可以平放且平行于對(duì)方。
也能夠提供單一螺旋線匝或一個(gè)半的螺旋線匝29。
在圖4表示的實(shí)施方案中，彎曲部分28形成曲流并至少一次改變凸?fàn)罾缭谝粋€(gè)平面中。
在圖5表示的實(shí)施方案中，彎曲部分28包括具有一個(gè)或多個(gè)環(huán)繞幾何圓柱體的線匝29的繞組，段23和27沿著該幾何圓柱體放置，繞組纏繞的該幾何圓柱體例如為圓柱形。 連接到段23和27的線匝29的連接部分251、252也具有小于2. 3毫米的曲率半徑，例如對(duì)于圍繞幾何圓柱體的曲率半徑約為Imm的線匝29，其為O. 8mm。被纖維2纏繞的幾何圓柱體的直徑在1. 5和4_之間。
下文中參考圖8和圖9描述了用于得到圖2所示的在第二檢測(cè)段25中的彎曲部分28的方法。
當(dāng)形成頭28時(shí)，錐形24、26是可選的。為了制造本發(fā)明的傳感器I，硫系玻璃纖維被拉伸到確定的平均直徑例如400微米以形成第一和第三段23、27。在至少一個(gè)尺寸中， 第二段25具有比段23、27更小的橫向?qū)挾?，所述第二段例如通過(guò)加速拉伸速率、通過(guò)硫酸溶液和過(guò)氧化氫的化學(xué)侵蝕或通過(guò)在Tg+15%的溫度下(Tg是纖維2的材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度)熱破碎的方法而形成。例如得到的段25能夠在至少一個(gè)橫向尺寸中減少到小于100微米。
玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg通過(guò)每分鐘的溫度上升10° C的差熱量分析來(lái)測(cè)量。
如圖2所示纖維2則在縱向L中伸長(zhǎng)。
繼而段25通過(guò)熱成型被彎曲。為此，纖維2的段25貼靠熱芯50放置使得與芯接觸放置的中間部分25在溫度T2中，因此
1. 05. Tg ^ T2 ^1. 5. Tg,
以及特別地
1.1. W1. 2. Tg0
在實(shí)施方案的一個(gè)實(shí)例中，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg超過(guò)10%到15%以加熱將被彎曲的段25。
根據(jù)由接觸帶53造成的曲率半徑，對(duì)于段25的繞組，被段25貼靠防止的芯50的該接觸帶53具有小于4. 6mm的橫向尺寸(例如直徑)。例如，芯50的接觸帶53具有的橫向尺寸(例如直徑)等于或小于2. 4mm,以及例如等于或小于2mm。纖維2的段25纏繞的帶53 的橫向尺寸 或直徑在例如1. 5和4_之間。
通常對(duì)于使用的硫系玻璃來(lái)講，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg等于或高于90° C，并且等于或低于400° C。
芯50的加熱發(fā)生在例如其中的第一和第二部分51、51的兩部分中，纖維2的中間段25貼靠在這兩部分之間的第三接觸帶53放置。這個(gè)第三帶53的加熱通過(guò)熱傳導(dǎo)發(fā)生， 例如從部分51、52，芯例如是金屬的，設(shè)置有用于加熱芯50的部件。芯50例如其在部分51、 52之間是長(zhǎng)方形的。至少在它的接觸帶53中，或者全部地，芯50例如是圓柱形，特別是圓形圓柱形。明顯地，芯50可以單獨(dú)地只從部分51、52中的一個(gè)被加熱。
為了達(dá)到彎曲效果，中間段25貼靠芯50被設(shè)置以被加熱并且其具有期望的曲率半徑。這個(gè)芯例如是不銹鋼并且例如具有圓形的橫截面以形成在段25中的圓形繞組。在這種方法中，段25以受控方式纏繞熱芯50以形成彎曲部分，例如通過(guò)繞組28的一個(gè)或多個(gè)線匝也就是以至少360°在圍繞芯50旋轉(zhuǎn)，因此彎曲部分28被彎曲并且具有芯50的曲率半徑。
之后段25以受控方式被冷卻，例如在每分鐘2° C中，隨后芯50被移開。
在這種方法中，一些彎曲部分28被制造成繞組的形式，該繞組具有在一和五個(gè)線匝之間再加上根據(jù)圖1的一個(gè)半的線匝，其在擁有100微米的纖維直徑Dl的段25中還具有Imm的曲率半徑，段23和27具有400微米的纖維直徑D2，纖維具有圓形橫截面。優(yōu)選模型是具有3個(gè)線匝的模型，超過(guò)這個(gè)數(shù)量螺線管的長(zhǎng)度(平行對(duì)稱軸的尺寸)變?yōu)榇笥诰€匝的直徑并且影響安裝的緊密度。
因此其為芯50，其被纖維纏繞，其被加熱以傳送熱量到纖維。由于被加熱的彎曲部分28的內(nèi)表面283通過(guò)這種局部加熱進(jìn)行退火，這個(gè)在彎曲部分28中提供了具有更好的機(jī)械強(qiáng)度的硫系纖維傳感器。
通過(guò)芯50以及這種局部加熱得到的熱成形通過(guò)移除在纖維彎曲過(guò)程中產(chǎn)生的剩余應(yīng)力極大地加強(qiáng)了硫系纖維傳感器的機(jī)械強(qiáng)度。例如，發(fā)明人已經(jīng)決定對(duì)于具有三個(gè)線匝的彎曲部分28的強(qiáng)度值為4牛頓，該線匝具有200 μ m的纖維直徑以及如圖1中的Imm 的曲率半徑(彎曲部分28通過(guò)三個(gè)半線匝的繞組形成)。
在一個(gè)實(shí)施方案中，被纖維纏繞的熱芯50包括銅或不銹鋼的芯，該芯覆蓋有特氟龍的層以防止纖維與芯50粘連。通常情況下，第一金屬材料的芯50被覆蓋有不同的第二金屬材料并且對(duì)于纖維不粘的外層，例如特氟龍。
根據(jù)本發(fā)明的用于測(cè)量硫系纖維的彎曲部分28的機(jī)械強(qiáng)度的方法與在圖11中表示的一樣，并且在下文中描述該方法。
在圖11中機(jī)械強(qiáng)度的測(cè)量實(shí)現(xiàn)在本發(fā)明的具有形成為一個(gè)半的線匝(此文的其他部分中稱為線匝29)的彎曲部分28的纖維2上，因此纖維2纏繞了一次半使得段23和 27平行且相互面對(duì)。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)測(cè)量，彎曲部分28被固定在圖11第二鉗口 202和第一鉗口 200之間的平面中，該第一鉗口在彎曲部分28上施加力F意圖使鉗口 200和鉗口 202 靠攏在一起。因此彎曲部分28的線匝29包括具有第一鉗口 200的第三接觸點(diǎn)281和具有第二鉗口 202的第四接觸點(diǎn)282，該第四點(diǎn)282與第三點(diǎn)281被分隔，例如其在線匝的平面中與第三點(diǎn)281完全相反。施加給彎曲部分28的第三點(diǎn)281確定的 壓力F，該力F相對(duì)于第四點(diǎn)282。施加給彎曲部分28的力F因此意圖使兩個(gè)分離點(diǎn)281和282相互更加靠攏。 彎曲部分28的機(jī)械壓縮強(qiáng)度是力F的值，超過(guò)該值彎曲部分28斷裂。因此，由于機(jī)械強(qiáng)度的指示值F纖維的彎曲部分28不會(huì)斷裂。力F的測(cè)量的設(shè)置例如通過(guò)設(shè)置在使鉗口 200和 202靠攏一起的執(zhí)行器上的力傳感器。為了這個(gè)機(jī)械強(qiáng)度的測(cè)量，使用了名為L(zhǎng)loyd LR50K 儀器的壓縮裝置，在該裝置中鉗口 200向鉗口 202的行進(jìn)速率為IOmm/分鐘。
例如在圖11中，根據(jù)本發(fā)明的制造方法為了形成具有的彎曲部分28擁有一個(gè)半的線匝29的纖維2，被測(cè)量的機(jī)械壓縮強(qiáng)度為F=L 5N，本發(fā)明的這個(gè)纖維2具有以下的參數(shù)
-彎曲部分28的一個(gè)半的線匝29的曲率半徑1mm；
-沿著纖維全部長(zhǎng)度(段23、25和27)的纖維的等厚度(纖維直徑)240ym；
-纖維2 的成分Te2QAs3(lSe5Q ；
-點(diǎn)281和282之間的外部尺寸(高度)2mm。
在圖12的比較實(shí)例中，使用了如圖11中相同的測(cè)量方法，但是代表現(xiàn)有技術(shù)且沒有使用本發(fā)明的方法形成的纖維300彎曲成U形，并且其具有以下的參數(shù)
-U形彎曲部分301的曲率半徑10mm ;
-沿著纖維全部長(zhǎng)度(在彎曲部分301和纖維300中)的纖維的等厚度(纖維直徑):240 μ m ；
-纖維300 的成分Te2ciAs3tlSe5tl ；
-點(diǎn)281和282之間的外部尺寸(高度)20mm。
-現(xiàn)有技術(shù)中彎曲纖維300的方法纖維300在環(huán)境溫度下(約20°C)無(wú)加熱無(wú)卷曲的被彎曲。
測(cè)量的機(jī)械壓縮強(qiáng)度為如在圖12中所示的F=O. 03N。
因此本發(fā)明的傳感器實(shí)質(zhì)上具有的機(jī)械強(qiáng)度大于現(xiàn)有技術(shù)的硫系物質(zhì)中的彎曲纖維。
現(xiàn)有技術(shù)的硫系纖維事實(shí)上眾所周知的由于它們的成分而容易斷裂。
由本發(fā)明的彎曲部分28形成的檢測(cè)頭是更耐磨和更堅(jiān)硬的，其允許與被檢測(cè)的基質(zhì)更好的接觸。例如，彎曲部分28的良好機(jī)械強(qiáng)度允許傳感器的易于操作，特別是對(duì)于其插入任意適合的鞘或管或更加普遍的在任意適合的盒子或外殼中使用，并且其也允許彎曲部分28形成檢測(cè)頭以被施加和被鄰接相對(duì)固體一致基片的某些力，該固體一致基片被檢 測(cè)以保證檢測(cè)部分25與這個(gè)基片的接觸，例如身體器官或活體人的部分或活體動(dòng)物身體。
通常情況下，彎曲部分28可以具有η為任意數(shù)目的n+1/2的線匝29，其中η為等于或大于零的自然整數(shù)，以使得第一和第三段23和27如基本上平行的相互面對(duì)。
在圖6中顯示了用于運(yùn)行本發(fā)明的傳感器的設(shè)備的實(shí)例。這個(gè)設(shè)備包括連接到纖維的第一端21的并向其發(fā)送紅外信號(hào)的紅外光譜儀101。纖維2的第二檢測(cè)段25顯示出其與試管或其他例如人體外部或動(dòng)物身體中的實(shí)驗(yàn)室試樣30的接觸。纖維2的第二端22 連接到紅外檢測(cè)器102以接收通過(guò)纖維2的段23、25、27從第一端21傳送到第二端22的紅外信號(hào)。檢測(cè)器102連接到通過(guò)檢測(cè)器102接收的信號(hào)的放大器103。一旦信號(hào)被放大器103放大，該信號(hào)被發(fā)送到包括信號(hào)處理單元104的光譜儀101，該信號(hào)處理單元104允許在端22被接收的紅外信號(hào)與發(fā)送到端21的紅外信號(hào)比較。這種比較允許由樣本30或更通常地由第二中間檢測(cè)段25上的外界介質(zhì)引發(fā)的擾動(dòng)的評(píng)價(jià)。
具有這種檢測(cè)方法有可能例如在樣本30上證明代謝異常，該代謝異常表明了在血清或肝活檢中的病理情況，或有機(jī)介質(zhì)的細(xì)菌污染。
光譜儀101在中紅外中發(fā)射。光譜儀包括被發(fā)送信號(hào)和被接收信號(hào)的光譜分析算法。被發(fā)送信號(hào)也可以在遠(yuǎn)紅外中。具有外界介質(zhì)的中間檢測(cè)段25被放置并且可能與固體、液體或氣體接觸。
例如，第一纖維段23和第三纖維段27通過(guò)小于繞組28的最大曲率半徑兩倍的垂直于纖維長(zhǎng)度的寬度被分隔，并且占據(jù)了具有小于繞組28的最大曲率半徑兩倍的垂直于纖維長(zhǎng)度的寬度的空間。
在圖1、3、4、5和7的實(shí)施方案中，第一和第三段23、37相互面對(duì)。在圖1和圖3 顯示的實(shí)施方案中，第一和第三段23、37被等于或小于圖1和圖3中的第二段25的最大曲率半徑兩倍的距離分隔。
例如段23和27是平行的。傳感器I在放置有第一和第二端21、22的第一側(cè)10 和放置有第二檢測(cè)段25的第二側(cè)11之間全面地延伸，纖維通過(guò)第一段23順著外向路徑從第一側(cè)10到第二側(cè)11，然后通過(guò)第三段27順著返回路徑從第二側(cè)22到第一側(cè)10。明顯地，第一或第二端21、22可以超過(guò)第一側(cè)10伸出。
在圖7顯示的實(shí)施方案中，如圖1中所描述的傳感器I被插入支架40。這個(gè)支架 40為細(xì)長(zhǎng)形，例如在縱向L中，例如在鞘的形式中。支架40包括內(nèi)部為縱向管道42的主體21，第一和第二段23、27相互面對(duì)地插入該縱向管道42。例如，管道42具有的橫向?qū)挾鹊扔诨虼笥谠趫D1或圖3中第二段25的曲率半徑的兩倍，或者等于或大于這個(gè)加到兩個(gè)段 23,27的橫向厚度的曲率半徑的兩倍。
主體41和管道42延伸直至檢測(cè)端43。第二檢測(cè)段25至少部分地伸出，例如全部地伸出如在圖7中所示，檢測(cè)端43外側(cè)，管道42外側(cè)。部分第一和第二段23、27也可以超過(guò)檢測(cè)端43而伸出。例如支架40是管形的。支架40是內(nèi)窺管例如以研究生物的身體的內(nèi)部。例如內(nèi)窺支架40被用作拿傳感器I的檢測(cè)段25觸到人類或動(dòng)物身體內(nèi)部的活體組織以研究它們。通過(guò)對(duì)生物的身體內(nèi)部活體組織按壓管子的檢測(cè)端43，傳感器I的檢測(cè)部分25應(yīng)用在這個(gè)活體組織上以檢測(cè)其造成的對(duì)纖維2中紅外信號(hào)的傳輸?shù)娜我鈹_動(dòng)。明顯地，支架40可以包括一個(gè)或多個(gè)其他縱向管道44。圖7中的傳感器I明顯地可以是上文描述的其他實(shí)施方案中的一個(gè)。
上文描述的傳感器I可以插入醫(yī)療設(shè)備的手術(shù)通道中使得檢測(cè)頭28接觸外界介質(zhì)或生物組織，該生物組織可以例如為固體或液體，體內(nèi)或體外。例如它可以插入醫(yī)療診斷設(shè)備的導(dǎo)管中，在生物的內(nèi)部或表面(例如皮膚)，在醫(yī)療分析設(shè)備中(例如體外血液分析)。
傳感器I也可以用以檢測(cè)在外界介質(zhì)中具有纖維的光譜范圍為O. 8到25微米的紅外信號(hào)的一個(gè)或多個(gè)化學(xué)物質(zhì)的存在，或者用以測(cè)量外界介質(zhì)中的這種物質(zhì)的量。
在圖1中的傳感器I上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)具有曲率半徑為I毫米(直徑為2毫米)的繞組 28，該繞組28形成一個(gè)半的線匝，也就是說(shuō)一個(gè)線匝為360°，而半個(gè)線匝顯示為約5毫米的等效長(zhǎng)度LI。使用這個(gè)螺線管傳感器，乙醇的譜被測(cè)量。圖10顯示了沿Y軸的吸光度作為沿X軸的波長(zhǎng)的函數(shù)，由于
-傳感器I的纖維2與乙醇不接觸，也就是說(shuō)在空氣中，作為每第一曲線Cl，
-傳感器I的纖維2具有與乙醇接觸的第三段27，而纖維2的段25在空氣中，作為每第二曲線C2，
-傳感器I的纖維2具有在位于最接近側(cè)11的端上與乙醇接觸的第二段25，也就是說(shuō)，在繞組25距離圖1中右端最遠(yuǎn)的部分上。
可以看到與曲線Cl和C2相比，曲線C3具有很高的吸光度。峰值P在相對(duì)應(yīng)乙醇的波譜射線的約9. 5微米處，因此通過(guò)本發(fā)明的具有檢測(cè)段25的傳感器乙醇的譜被更好地檢測(cè)。
通過(guò)本發(fā)明的檢測(cè)頭28的高靈敏度的部件，有可能檢測(cè)在與這個(gè)頭28接觸放置的外界介質(zhì)中的紅外線中的分子標(biāo)簽，并且特別地檢測(cè)對(duì)于一個(gè)相同分子式在較小量中的分子的存在，而且也檢測(cè)具有不同分子式的較大量的分子的存在。
權(quán)利要求
1.一種傳感器，所述傳感器具有至少一個(gè)纖維，所述至少一個(gè)纖維允許至少在O. 8和25微米之間的一個(gè)紅外波長(zhǎng)下紅外線的傳播并且向外產(chǎn)生倏逝波以檢測(cè)外界介質(zhì)的紅外信號(hào)，所述至少一個(gè)纖維(2)具有XY型的組合物，其中X選自Ge、As或Sb或這些成分中的兩種或多于兩種的混合物，而Y選自S、Se、Te或這些成分中的兩種或多于兩種的混合物，所述纖維在其長(zhǎng)度上接連地包括引導(dǎo)紅外波的第一纖維段(23)、至少一個(gè)具有檢測(cè)功能的第二纖維段(25)和引導(dǎo)紅外波的第三纖維段(27)，所述第二纖維段(25)趨向于接觸外界介質(zhì)以檢測(cè)擾動(dòng)沿纖維(2)傳播的倏逝波的傳播的紅外信號(hào)，其特征在于在所述具有檢測(cè)功能的第二纖維段(25)中，所述纖維(2)由至少一個(gè)曲率半徑局部地小于2. 3毫米的彎曲部分形成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于所述第二纖維段(25)的所述彎曲部分在試圖將屬于所述彎曲部分的兩個(gè)分離點(diǎn)靠攏在一起的方向上具有的機(jī)械壓縮強(qiáng)度等于或聞?dòng)贗N。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于所述至少一個(gè)彎曲部分具有的纖維曲率半徑等于或小于I毫米。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的傳感器，其特征在于所述第一纖維段(23)和所述第三纖維段(27)通過(guò)垂直于所述纖維的長(zhǎng)度的小于2. 8mm的寬度被分隔，并且占據(jù)垂直于所述纖維的所述長(zhǎng)度的小于2. 8mm的寬度的空間。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的傳感器，其特征在于所述彎曲部分(28)包括繞組。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的傳感器，其特征在于所述彎曲部分(28)包括繞組，所述繞組包括至少一個(gè)線匝，所述第二纖維段(25)的所述彎曲部分在試圖將屬于所述彎曲部分的兩個(gè)分離點(diǎn)靠攏在一起的方向上具有的機(jī)械壓縮強(qiáng)度等于或高于IN每線匝。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到6中任一項(xiàng)所述的傳感器，其特征在于所述第二檢測(cè)段(25)具有所述纖維的至少一個(gè)橫向尺寸(Dl)小于在第一和第三段(23、27)中纖維的至少一個(gè)橫向尺寸(D2)。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的傳感器，其特征在于所述第二纖維段(25)具有的纖維直徑(Dl)在50和450微米之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1到6中任一項(xiàng)所述的傳感器，其特征在于所述纖維在第一、第二和第三段(23、25、27)上具有的纖維厚度在50和450微米之間，所述纖維厚度在這些第一、第二和第三段(23、25、27)上是恒定的。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的傳感器，其特征在于第一和第三纖維段(23、27)插入保護(hù)鞘(40)中，所述第二段(25)至少部分地從所述鞘的一端(43)伸出并且趨向于接觸被檢測(cè)的所述外界介質(zhì)，不論所述外界介質(zhì)是固體和/或液體和/或氣體。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的傳感器，其特征在于所述第一和第三纖維段(23、27)插入醫(yī)療診斷設(shè)備(40)的手術(shù)通道中，所述第二段(25)至少部分地從所述通道的一端(43)伸出并且趨向于接觸體內(nèi)和/或體外的組織或生物體液。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的傳感器，其特征在于X在重量上的比例等于或高于10%并且等于或低于70%，而Y在重量上的比例等于或高于30%并且等于或低于90%。
13.一種方法，用于制造根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的傳感器，其特征在于所述硫系纖維(2)具有XY型的組合物，其中X選自Ge、As或Sb或這些成分中兩種或多于兩種的混合物，而Y選自S、Se、Te或這些成分中兩種或多于兩種的混合物，所述硫系纖維(2 )具有玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg，所述纖維在其長(zhǎng)度上接連地包括在所述纖維(2 )的第一和第二端(21、22)兩端之間的所述第一纖維段(23)、形成所述第二纖維段(25)的中間部分(25)和所述第三纖維段(27)，具有橫向尺寸小于4. 6毫米的接觸帶(53)的芯(50)被加熱至一定的溫度，而所述纖維(2)的所述中間部分(25)貼靠所述芯(50)的所述接觸帶被放置，使得與所述芯(50)的所述帶(53)接觸的所述中間部分(25)具有的溫度T2為1.05. Tg ^ T2 ^1. 5. Tg,所述纖維(2)的所述中間部分(25)以至少180°的纏繞角纏繞所述芯(50)的所述接觸帶(53)以在所述纖維的所述中間部分(25)中形成所述彎曲部分(28)，并且形成的所述纖維的所述第二纖維段(25)具有的曲率半徑局部地小于2. 3毫米。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的制造方法，其特征在于所述芯(50)包括第一和第二部分(51、52)，并且在所述第一和第二部分(51、52)之間平放所述接觸帶(53)，所述芯通過(guò)所述第一和第二部分(51、52)中的至少一個(gè)被加熱。
15.根據(jù)權(quán)利要求13和14任一項(xiàng)所述的制造方法，其特征在于所述芯(50)是具有任意橫截面的圓柱形。
16.根據(jù)權(quán)利要求13到15任一項(xiàng)所述的制造方法，其特征在于所述溫度T2超過(guò)所述玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg 10%到20%。
17.根據(jù)權(quán)利要求13到16任一項(xiàng)所述的制造方法，其特征在于所述中間部分(25)具有的纖維直徑(D2)在50和450微米之間。
18.根據(jù)權(quán)利要求13到17任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所述彎曲部分(28)在試圖將屬于所述彎曲部分(28)的兩個(gè)分離點(diǎn)靠攏在一起的方向上具有的機(jī)械壓縮強(qiáng)度等于或聞?dòng)贗N。
19.根據(jù)權(quán)利要求13到18任一項(xiàng)所述的傳感器，其特征在于所述彎曲部分(28)包括繞組，所述繞組包括至少一個(gè)線匝，所述彎曲部分(28)在試圖將屬于所述彎曲部分(28)的兩個(gè)分離點(diǎn)靠攏在一起的方向上具有的機(jī)械壓縮強(qiáng)度等于或高于IN每線匝。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種纖維傳感器，所述纖維傳感器能使紅外線在0.8到25微米的至少一個(gè)波長(zhǎng)下傳播，所述纖維沿其長(zhǎng)度接連地包括第一紅外波導(dǎo)段(23)，第二檢測(cè)段(25)和第三紅外波導(dǎo)段(27)，所述第二檢測(cè)段(25)趨向于接觸外部環(huán)境以檢測(cè)干擾沿所述纖維(2)傳播的倏逝波的傳播的紅外信號(hào)。本發(fā)明的特征在于，在具有檢測(cè)作用的所述第二纖維段(25)中，所述纖維(2)由曲線部分構(gòu)成，所述曲線的曲率半徑局部地小于2.3毫米。
文檔編號(hào)G01N21/77GK103025672SQ201180026975
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2011年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月1日
發(fā)明者B·比羅, C·布薩爾, O·洛雷亞爾, P·烏伊佐, J-L·亞當(dāng), J·盧卡斯 申請(qǐng)人:雷恩第一大學(xué), 國(guó)家科學(xué)研究中心