具有不均匀属性的全息传感器及其制造方法和应用技术

一种包括承载介质以及布置在承载介质中的全息图的传感器，其中介质的光学特性通过介质属性的变化而改变，并且其中介质是不均匀的，因此属性的变化不均匀。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有不均匀属性的全息传感器专利
本专利技术涉及全息传感器及其生产方法。技术背景全息传感器可用于探测多种分析物。W095/26499公开了一种基于 体积全息图的全息传感器。该传感器包括对分析物敏感的基质，该基 质具有遍布其体积内而布置的光学转换结构。由于转换器的这种物理 排列，使传感器产生的光学信号对因与分析物的相互作用或反应而发 生在对分析物敏感的基质内的体积变化或结构重排非常敏感。
技术实现思路
本专利技术第一方面涉及一种传感器，所述传感器包括承载介质以及 布置在承载介质中的全息图，其中介质的光学特性通过介质属性的变 化而改变，并且其中介质是不均匀的，因此属性的变化不均匀。本专利技术另一方面涉及一种生产全息传感器的方法，包括如下步骤通过以下两种方式形成不均匀承载介质(a) 使单体聚合，其中至少一个聚合反应的条件在聚合过程中改 变；或者(b) 将一种组分引入介质中，使该组分与介质反应或与存在于介 质中的第二组分反应，并改变发生在介质中的反应的程度；在承载介质中置入全息记录材料；并 记录全息图像。该方法使得能够准确预定传感器的灵敏度。 一种通过本专利技术方法 生产的传感器阵列可包括具有不同的、分级灵敏度的传感器。本专利技术另一方面为用于生产如下传感器的方法，所述传感器包括 介质和布置在介质中的全息图，其中介质的光学特性通过介质属性的 变化而改变，所述方法包括如下步骤通过使可聚合组分与另一种组分的混合物聚合形成承载介质；在承载介质中置入全息记录材料；并记录全息图像；其中物理属性发生改变的温度取决于存在于混合物中的另一种组 分的量。光学特性可通过介质发生相转变而变化。本专利技术另一方面涉及生产无4艮全息传感器的方法，该方法包括如 下步骤通过以下两步形成具有布置在其整个体积内的全息图的不均匀承 载介质(1)向第一聚合物的整个体积内引入交联单体混合物； (2 )使单体混合物反应以制成其中记录有全息图像的第二聚合 物，其中第一和第二聚合物形成介质并且其中反应的程度在 整个介质内变化。 本专利技术提供可对安全领域特别有用的传感器。例如，本专利技术传感 器的灵敏度可以改变并复杂到实际上不可能精确复制这样的传感器的 程度。附图简述附图说明图1为不同pH值下琥珀酐中峰值衍射波长(nm)对时间(秒)的 关系图；图2为对应于琥珀酐(S)、普通/未处理的(N)或乙酸酐的(A) 峰值衍射波长(nm)对pH的关系图；图3为不同条件下的峰值衍射波长(nm)对pH的关系图；并且 图4为不同条件下的峰值衍射波长(nm)对pH的另一张关系图。具体实施方式由本专利技术传感器表现出来的不均匀性可以是随机的。或者，传感 器可以包括基本连续的或逐级/逐步的属性改变。这可使得传感器具有 与其相关的一套分级的响应，例如，具有不同属性/反应性的多个区域。本专利技术的传感器优选包括聚合承载介质。不均匀性可通过改变介 质的聚合度来获得，即，使得介质包括基本聚合的区域和以较低程度 聚合的区域。在该情形中，各区域可为如下状态使得在特定的分析 物浓度或浓度范围内，各区域中光学特性的值相同或基本相同。优选地，聚合介质含有可易于改性的官能团。例如，聚合介质可 由曱基丙烯酸羟基乙酯("HEMA")、甲基丙烯酸氨基乙酯("AEMA，，)和 /或曱基丙烯酸乙二醇酯("EDMA，，)单体形成。得到的聚合物含有可易 于改性的氨基官能团。氨基官能团可使用例如酸肝——例如乙酸酐、 琥珀酐或4-硝基苯二曱酸酐——改性。不同的可聚合组分的使用使得能在例如单个全息元件中获得不同 的灵敏度。低于pH4时，含有用琥珀酐改性的HEMA/AEMA的全息元件 与用乙酸酐改性的HEMA/AEMA在大致相同的波长下重现。因此，具有 包括琥珀酐改性区域和乙酸酐改性区域的HEMA/AEMA聚合介质的元件 可用作pH传感器；当各区域的色彩看起来似乎相同时，用户可获知 pH低于4。当在pH〉8. 5的情形下比较乙酸酐改性的HEMA/AEMA和未改 性的HEMA/AEMA时，可》见察到相似的结果。全息图可布置在承载介质的整个体积内。本专利技术的传感器可包括 具有"灵敏度梯度"的全息元件。梯度可通过改变聚合介质改性的程 度来获得，即聚合度是分级的。这可通过将介质置于不同的聚合/解聚 条件下实现。对于给定的分析物浓度范围，具有基本改性介质的全息元件与具 有改性程度较低的介质的全息元件相比，可具有较大波段的重现波长。 既然是这样，如果基本改性的区域和以较低程度改性的区域均在相同 的波长下重现，那么这可表明各区域置于不同的分析物浓度中。因此， 在沿着灵敏度梯度的一个特定点上，给定的色彩将指示特定的分析物 浓度。在沿着梯度的不同点上，相同的色彩将指示不同的分析物浓度。 因此，如果传感器包括具有灵敏度梯度的全息元件，标准参考色彩可 用来确定分析物浓度的梯度。本专利技术的方法可包括将一种附加单体引入聚合物中，然后再聚合。 例如，附加单体可通过使已存在于聚合混合物中的受保护的单体去保 护来获得。单体可在初始聚合前用基团，例如N-(叔丁氧基羰基)保护。 进行聚合的混合物于是将包括聚合区域和非聚合区域。然后受保护的 单体可被进行选择性去保护并被聚合。这使得能够准确度量传感器的 灵敏度。或者，附加组分可为交联剂，聚合物含有可选择性交联的可交联 基团。交联是精确控制聚合物结构并从而精确控制全息元件灵敏度的 另一种途径。特别优选的是涉及使用可变(例如灰度色标)掩模以获得所需的不同响应的光化学交联。全息元件的灵敏度可使用试剂，例如铬酸盐控制。使用铬酸盐和 基于明胶的承载介质(特别是与曱醛交联的承载介质)可降低元件的 灵敏度，而同时增大其重现波长。在该实施方案中，第一步为生成不在基质上交联的明胶聚合物。 将明胶的水溶液涂布到适宜的基质上，例如已经过处理能实现明胶粘 附的玻璃或塑料上。使明胶冷却并固化。一旦固化，明胶即可用不同浓度的例如铬离子进行处理，引起有 差异的交联并从而获得有差异的灵敏度。这可通过多种方法实现。一个实例是制备整个明胶膜可沉入其中的液浴(bath)。液浴含有冷的铬 溶液，其中有1~5%或更多的铬离子。将整个薄膜沉入液浴中，于是 整个薄膜浸入铬溶液中。然后将薄膜緩慢地从铬溶液中提起，使得在 溶液中浸泡时间较长的部分具有更高的交联密度。通过使两种溶液流入含有明胶薄膜的液浴中可以达到类似的效 果。其中一种为浓的铬溶液并且另一种为水。如果水加入的速度高于 铬溶液加入的速度，铬的浓度将随时间降低。通过提高铬溶液加入的 速度而不是水加入的速度可以使梯度倒过来。该原则同样适用于使用戊二醛溶液而不是铬溶液作为交联剂的情 形。然后可通过例如扩散将交联的聚合物转化为全息图，例如，如 W095/26949中所述。全息传感器可设计成与分析物反应后具有提高的响应。在这样的 传感器中，全息元件优选含有基于水凝胶的承载介质，该承载介质与 分析物反应后，发生相转变，例如转变为玻璃态。与该相转变相伴随 的是光学特性的变化，例如峰值衍射波长的偏移，偏移的大小取决于 温度。在特定(通常为升高)的温度下，观察到最大偏移。已发现通 过向初始聚合物中加入共聚物并进一步聚合，可改变发生该"超响应，， 的温度。因此，待在特定温度下使用的传感器可被设计成其最大响应 发生在此温度下。大部分全息传感器依赖于银形本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种传感器，包括承载介质和布置在承载介质中的全息图，其中介质的光学特性通过介质属性的变化而改变，并且其中介质是不均匀的，因此属性的变化不均匀。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：CR洛，AP詹姆斯，E雷纳，
申请(专利权)人：剑桥企业有限公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]