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一次性光度测量端头

阅读：289发布：2020-05-11

专利汇可以提供一次性光度测量端头专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一次性光度测量端头包括聚合物端头，聚合物端头具有毛细管填充通道、充当光输入耦合部的波导通道和充当光输出耦合部的波导通道，毛细管填充通道在聚合物端头的远端具有开口，每个波导通道在毛细管填充聚合物端头的近端具有开口，其中，毛细管填充通道、充当光输入耦合部的波导通道和充当光输出耦合部的波导通道彼此连接。，下面是一次性光度测量端头专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种一次性光度测量端头，包括：
聚合物端头，所述聚合物端头具有：
毛细管填充通道，所述毛细管填充通道在所述聚合物端头的远端具有开口，充当光输入耦合部的波导通道，以及
充当光输出耦合部的波导通道，
充当光输入耦合部的所述波导通道和充当光输出耦合部的所述波导通道中的每一个具有在所述聚合物端头的近端的开口，
其中，所述毛细管填充通道、充当光输入耦合部的所述波导通道以及充当光输出耦合部的所述波导通道彼此连接。
2.根据权利要求1所述的一次性光度测量端头，其中，所述聚合物端头的长度介于0.5厘米和10厘米之间。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的一次性光度测量端头，其中，所述聚合物端头在它的毛细管填充通道末端的直径介于50微米到10毫米之间。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的一次性光度测量端头，其中，所述聚合物端头在它的光耦合末端的直径介于1毫米到20毫米之间。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的一次性光度测量端头，其中，所述聚合物端头是由折射率低于1.33的聚合物材料形成的。
6.根据权利要求1或权利要求2所述的一次性光度测量端头，其中，所述聚合物端头具有应用到充当光输入耦合部的所述波导通道和充当光输出耦合部的所述波导通道的内壁上充当包层的低折射率的薄膜或涂层。
7.根据权利要求1或权利要求2所述的一次性光度测量端头，其中，所述聚合物端头具有微结构化的表面，所述微结构化表面形成被施加到充当光输入耦合部的所述波导通道和充当光输出耦合部的所述波导通道的内壁的空气孔或空气填充的区域的二维周期阵列，并且显示光子带隙效应以及充当包层。
8.根据权利要求1或权利要求2所述的一次性光度测量端头，其中，所述毛细管填充通道、充当光输入耦合部的所述波导通道和充当光输出耦合部的所述波导通道具有介于1平方微米和1平方毫米之间的横截面。
9.根据权利要求1或权利要求2所述的一次性光度测量端头，其中，所述毛细管填充通道的横截面与充当光输入耦合部的所述波导通道和充当光输出耦合部的所述波导通道的横截面是不同的。
10.根据权利要求1或权利要求2所述的一次性光度测量端头，其中，所述毛细管填充通道的横截面、充当光输入耦合部的所述波导通道的横截面和充当光输出耦合部的所述波导通道的横截面中的至少一个随通道长度而改变。
11.根据权利要求1或权利要求2所述的一次性光度测量端头，其中，充当光输入耦合部的所述波导通道和充当光输出耦合部的所述波导通道具有弯曲的或折叠的形状使得充当光输入耦合部的所述波导通道和充当光输出耦合部的所述波导通道的长度是所述一次性光度测量端头的长度的多倍。
12.根据权利要求11所述的一次性光度测量端头，其中，所述多倍少于1000。
13.根据权利要求1或权利要求2所述的一次性光度测量端头，其中，所述毛细管填充通道、充当光输入耦合部的所述波导通道和充当光输出耦合部的所述波导通道是相同的。
14.根据权利要求1或权利要求2所述的一次性光度测量端头，其中，充当所述光输入耦合部的所述波导通道的开口以及充当所述光输出耦合部的所述波导通道的开口是相同的。
15.根据权利要求1或权利要求2所述的一次性光度测量端头，其中，充当光输入耦合部的所述波导通道和充当光输出耦合部的所述波导通道的尺寸和弯曲角度被选择以仅引导特定波长间隔的光。
16.根据权利要求15所述的一次性光度测量端头，其中，充当光输入耦合部的所述波导通道和充当光输出耦合部的所述波导通道的尺寸和弯曲角度被选择以仅引导一个波长的光。
17.根据权利要求1或权利要求2所述的一次性光度测量端头，其中，充当光输入耦合部的所述波导通道和充当光输出耦合部的所述波导通道的尺寸和弯曲角度被选择以仅引导大于特定折射率的光。
18.根据权利要求1或权利要求2所述的一次性光度测量端头，其中，所述聚合物端头具有一个以上的充当光输入耦合部的波导通道和一个以上的充当光输出耦合部的波导通道。
19.根据权利要求1或权利要求2所述的一次性光度测量端头，其中，至少一个棱镜和/或至少一个反射表面被用来引导光。
20.根据权利要求1或权利要求2所述的一次性光度测量端头，其中，所述毛细管填充通道具有集成的过滤器。
21.根据权利要求1或权利要求2所述的一次性光度测量端头，具有被连接到一个以上的充当光输出耦合部的波导通道的一个充当光输入耦合部的波导通道。
22.根据权利要求1或权利要求2所述的一次性光度测量端头，具有被连接到一个以上的充当光输入耦合部的波导通道的一个充当光输出耦合部的波导通道。
23.根据权利要求1或权利要求2所述的一次性光度测量端头，其中，所述聚合物端头包含与填充所述毛细管填充通道、充当光输入耦合部的所述波导通道和充当光输出耦合部的所述波导通道的样本混合的试剂。
24.根据权利要求23所述的一次性光度测量端头，其中，所述聚合物端头包括容纳至少一种试剂的储液器腔，并且，其中，所述储液器腔被连接到所述毛细管填充通道、充当光输入耦合部的所述波导通道和充当光输出耦合部的所述波导通道中的至少一个。
25.一种用于进行光度测量的系统，所述系统包括：
根据前述权利要求中的任何一项所述的一次性光度测量端头，
被连接到充当光输入耦合部的所述波导通道的光源，以及
被连接到充当光输出耦合部的所述波导通道的光检测器。
26.根据权利要求25所述的系统，所述系统能够操作以进行光度或荧光或比浊或浊度或折射率的测量。
27.一种使用权利要求25或权利要求26所述的系统进行光度测量的方法，所述方法包括以下步骤：
将光从所述光源提供到充当光输入耦合部的所述波导通道，
将所述聚合物端头的远端浸入到液体样本里，使得液体被吸入到所述毛细管填充通道、充当光输入耦合部的所述波导通道和充当光输出耦合部的所述波导通道里，以及在所述光检测器检测被透射的光。

说明书全文

一次性光度测量端头

发明领域

[0001] 本发明涉及与移动手持式光度计一起使用的一次性光度测量端头，用于在液体里进行光度的、发光的、荧光的和浊度的测量。

[0002] 发明背景

[0003] 光度测定是一种重要的分析方法，具有不同的应用。本领域当前状态的光度测定的仪器通常是台式仪器。光度计可分为两组，使用试管的仪器和使用浸入式传感器的仪器。试管型仪器通常是沉重的台式仪器，或功能减少的更小的便携式仪器。大多数使用浸入式传感器的仪器是由通过导光玻璃纤维连接到浸入式传感器的台式装置组成的。传感器通常由金属和/或玻璃制成。源于台式装置里的光被引导通过传感器并经过限定长度的样本量，然后被引导回到台式装置中到检测器。传感器是笨重的且在转移到另一个样本之前需要清洗。

[0004] Trau与Orban(DE 10149879)描述了使用具有试管凹槽功能的一次性以及浸入式传感器端头的手持式光度计。与其他仪器相比，光路的一小部分是由聚合物制成的一次性端头的整体部分。这种配置的优点是，每次测量替换新的端头，样本污染和样本交叉污染可以完全排除。而DE 10149879的端头却有光必须穿过端头材料行进的长光路长度的缺点，从而导致低传输。DE 10149879的端头的特有特征是，端头部分地浸入测量溶液并且整个手持式光度计在测量溶液的弯液面上。待分析的液体然后流入充当试管的端头的光学凹槽。DE 10149879的端头也需要反射表面，如金属表面，这增加了复杂性和成本。本发明通过提供使用不同类型的光传播的光度测量端头来克服一些限制。

[0005] 发明概述

[0006] 本发明描述了一种新颖的基于光传播的测量原理和设计以特别是与手持式光度计结合的进行光度的、发光的、荧光的和浊度的测量。本发明的端头没有与Trau和Orban描述的一样使用凹槽作为试管。相反，端头内的内通道充满了待分析的液体，并该通道充当波导或光的传播通道以引导光通过液体样本用于吸收度和其他光学测量。最有益地是，端头可以做成一次性的以防止任何交叉污染并且只需少量的样本量,。有益地是，充当波导的通道的尺寸能够被构造成只引导一个波长的光以变成单色器。在光度测定设备里，通过使用本发明的端头，单色器就不是必须的，这将大幅降低光度测定设备的成本。

[0007] 根据本发明的第一方面，提供了一次性的光度测量端头，光度测量端头包括聚合物端头,聚合物端头具有毛细管填充通道、充当光输入耦合部的波导通道和充当光输出耦合部的波导通道，毛细管填充通道在聚合物端头的远端具有开口，每个波导通道在毛细管填充聚合物端头的近端具有开口，其中，毛细管填充通道、充当光输入耦合部的波导通道并且充当光输出耦合部的波导通道彼此连接。

[0008] 聚合物端头的长度可在0.5和10厘米之间。

[0009] 聚合物端头在它的毛细管填充通道末端处的直径可介于50微米到10毫米之间。

[0010] 聚合物端头在它的光耦合末端处的直径可介于1毫米到20毫米之间。

[0011] 聚合物端头可由折射率低于1.33的聚合物材料形成。

[0012] 聚合物端头可具有应用到波导通道的内壁上充当包层的低折射率的薄膜或涂层。

[0013] 聚合物端头可具有微结构化的表面，该微结构化的表面形成空气孔或空气填充的区域的二维周期阵列或结构，其被施加到波导通道内壁并且显示光子带隙效应，以及充当包层。

[0014] 毛细管通道和波导通道可有介于1平方微米和1平方毫米之间的横截面。

[0015] 毛细管填充通道和波导通道的横截面可不同。

[0016] 毛细管填充通道的横截面和波导通道的横截面中至少一个可以随通道长度而改变。

[0017] 波导通道可有弯曲或折叠的形状，使得波导通道的长度是端头长度的多倍。

[0018] 所述多倍可小于1000。

[0019] 毛细管填充通道和波导通道的横截面可相同。

[0020] 充当光输入耦合部的波导通道的开口以及充当光输出耦合部的波导通道的开口可是相同的。

[0021] 波导通道的尺寸和弯曲角度可被选择以仅引导特定波长间隔的光。

[0022] 波导通道的尺寸和弯曲角度可被选择以仅引导一个波长的光。

[0023] 波导通道的尺寸和弯曲角度可被选择以仅引导大于特定的反射率的光。

[0024] 端头可有一个以上的波导通道。

[0025] 至少一个棱镜和/或至少一个反射表面可以用来引导光。

[0026] 毛细管填充通道可以具有集成的过滤器。

[0027] 一次性光度测量端头可以有一个被连接到一个以上的充当光输出耦合部的波导通道的充当光输入耦合部的波导通道。

[0028] 一次性光度测量端头可以有被连接到一个以上的充当光输入耦合部的波导通道的一个充当光输出耦合部的波导通道。

[0029] 端头可以包含与填充通道的样本混合的试剂。

[0030] 端头可包括容纳至少一种试剂的储液器腔并且储液器腔可连接到至少一个通道。

[0031] 根据本发明的第二方面，提供了用于执行光度测量的系统，该系统包括根据本发明的第一方面的一次性光度测量端头、连接到充当光输入耦合部的波导通道的光源和连接到充当光输出耦合部的波导通道的光检测器。

[0032] 该系统是可操作的以执行光度或荧光或比浊或浊度或折射率的测量。

[0033] 根据本发明的第三方面，提供了使用根据本发明的第二方面的系统进行光度测量的方法，该方法包括以下步骤：向充当光输入耦合部的波导通道供应来自光源的光、将端头的远端浸入液体样本使得液体被吸入毛细管填充通道和波导通道以及在光检测器处检测透射光。

[0034] 定义

[0035] 术语“一次性”或“一次性端头”或“光度测量端头”或“端头”是指本发明的端头。端头由聚合物和玻璃制成。通常，端头在一个远端有毛细管填充通道的开口，并且在其对面的远端有充当光输入耦合部的波导通道的开口和充当光输出耦合部的相同的波导通道的第二个开口。毛细管填充通道和波导通道彼此连接。端头的长度可介于0.5厘米和10厘米之间。端头的直径可在50微米和2厘米之间；两个远端的直径可不同。通常，与连接到光度测定设备的对面的远端比较，毛细管填充通道的远端有更小的直径或横截面。通道的直径为1微米至500微米；横截面可以是圆形、矩形或任何其他形状。在图1中给出了本发明的端头的例子。

[0036] 术语“波导通道”指的是在端头内的被样本填充的通道。样本可以是液体或气体。由于端头材料和样本的折射率以及通道尺寸，光可以通过波导通道传播。通过全内反射或通过使用在波导通道上的反射面如反光的金属表面或通过微结构化的折射率显著低于水的涂层或薄膜，光的传播可以完成，在水中，光通过全内反射传播或受带隙效应的限制或其混合。波导可以被设计为多模波导或单模波导来引导多个波长或只有单一波长的光。通过波导引导的光可以从紫外(UV)区域到红外区域(IR)。

[0037] 术语“毛细管填充通道”指的是在端头内的用样本填充的通道。样本通过毛细作用流经毛细管填充通道流入波导通道以通过毛细作用用样本填充波导通道。毛细管填充通道可包含以调节样本的工具，如过滤器或试剂释放容器。

[0038] 术语“毛细管填充”是指通过毛细管力或毛细作用的使用来用样本填充毛细管通道和波导通道。

[0039] 术语“光耦合”是指在端头上的过程和技术特征，用以将来自光度测定设备的光或光源耦合进入波导通道，以及将从波导通道出来光耦合进入光度测定设备。端头具有在端头的一个远端终止的至少一个波导通道。波导通道的末端被称为“光耦合”。

[0040] 术语“光输入耦合部”和“光输出耦合部”指的是将光耦合进入波导和将光耦合出波导的波导通道的两端。从波导被耦合出来的光通常被发送到光传感器上。

[0041] 术语“测量”指使用端头和所附的光度测定设备来分析和确定样本中分析物的浓度的过程。

[0042] 术语“手持式光度测定设备”是指包含至少一个光源和连接到本发明的端头的至少一个光检测器以执行光度测量的移动设备。

[0043] 术语“分析物”是指通过执行测量来分析的物种，通常是例如但不限于蛋白质、肽、核酸、脂类、葡萄聚糖、气体的化学化合物、例如但不限于葡萄糖、胆红素的代谢产物或例如但不限于微生物、病毒、细胞的生物化合物或生物指标物或pH值或比浊或浊度或颜色或它们的混合物。

[0044] 术语“弯曲角度”指的是波导通道弯曲以形成弯曲的波导通道。弯曲角度必须足够大以不失去太多的光。通过使用波导通道的弯曲，较长的通道可以被集成到小端头里。这种曲折的或折叠形状的类型的通道可以创建比端头长度长达1000倍的通道长度。

[0045] 术语“试管”是指透明的容器，以容纳光度/光谱测量用的样本。传统的试管由玻璃或聚合物制成。在Trau和Orban中，试管是填充有样本的光学凹槽。在本发明中，试管是填充有样本的波导通道。

[0046] 发明详述

[0047] 在以下公开内容中提供例子是为了更好地理解本发明，而不应被解释为限制本发明。本发明涉及使用填充有待分析的样本的通道作为波导的光度测量端头。波导通道充当试管。有利的是，通过使用全内反射，光被引导穿过样本。如果全内反射被用作波传播的原理，端头材料的折射率必须低于样本的折射率。对于含水的液体样本，端头材料的折射率应小于水的1.33的折射率。

[0048] 然而，大多数聚合物材料的折射率比水大。为了解决这个问题，几种发明的解决方案在本发明中被公开。代替使用低折射率的端头材料，具有低折射率的薄膜可被应用或涂覆在波导通道的内壁。这种薄膜的折射率接近或低于1(先进技术的聚合物杂志(The Journal of Polymers for Advanced Technologies)03/2003；4(1):1-7.DOI:10.1002/pat.1993.220040101)。

[0049] 低折射率薄膜或涂层的厚度可以在纳米量级直到微米量级中。几种类型的涂层或薄膜可应用于此目的，如包含大量的空气的薄膜，如超疏水性膜或多孔膜。空气的折射率接近1并且会减少薄膜或涂层的总折射率。在本实施方案中，波导通道的内表面涂覆有空气包层结构(Kaiser P.V.,Astle H.W.,1974,Bell Syst.Tech.J.,53,1021-1039)。另一个空气包层结构可以由微米尺寸的气球的沉积来实现(A.Fery等人)。空气包层也可以通过建立围绕波导通道的薄气隙实现。气隙厚度可从几纳米到微米。气隙结构可以通过聚合物的注射成型或通过其它成型工艺建立。液体样本被限制在薄的聚合物管里。聚合物管被气隙包围并且整个结构在聚合物端头内。光将从液体样本芯被折射到聚合物管中，然后在聚合物管界面上被全内反射到气隙。光通过折射再次进入液体芯。该管的聚合物应具有接近液体样本的折射率，以避免在管的液体界面上的全内反射。

[0050] 在本发明的另一个实施方案中，空心光子带隙光纤或光子晶体光纤或布拉格光纤用于引导光穿过端头。在本实施方案中，波导通道是由光子带隙光纤、光子晶体光纤或布拉格光纤形成。布拉格光纤是由多层膜的同心环形成的光子带隙光纤。纤维结构通过微结构化端头的波导通道的内表面形成，以创建用于光传播的光子带隙效应。这种微结构化的内表面充当纤维的包层并且填充有样本的中空通道是芯。总之，包层显示出空气孔或空气填充区域的二维周期阵列或结构。包括所公开的中空的具有与以下光纤类似的微结构化的内表面的端头的光子带隙光纤、光子晶体光纤与布拉格光纤不依赖于全内反射，而是光由带隙效应和填充微结构的中空空气引导和限制。

[0051] 对于所公开的导光方法最有利地是，不使用金属反射面或棱镜，光可以被引导到转弯或弯曲处。然而反射面或棱镜可以替代地被使用。在波导通道几何结构中的转弯会引起光在内部和外部转弯半径具有不同的入射角度。转弯半径应尽可能大或在端头材料和样本之间的折射率的差应该尽可能大，以通过全内反射引导所有光线。如果这些条件没有被适当地控制，光强度在输出端将降低，并且可以干扰吸光度测量。创造性地，本发明的这种行为可被用于构建测量样本的折射率的端头，这将在后面公开。填充液体样本的通道充当波导。波导通道的尺寸能够被构造成只引导一个波长的光(单模波导)而变成单色器。在光度测定设备里，通过使用本发明的端头，单色器就不是必须的，这将大幅降低光度测定设备的成本。本发明将单色器从设备移动到端头中。通过改变不同的端头，不同的波长可用于光度测量。另外，将一个以上的单模波导通道整合到端头中用于多波长测量也是可能的。

[0052] 通过使用全内反射的波传播机制或通过包含大量空气区域的微结构化的表面的带隙效应或光学限制，本发明的一次性端头不需要金属反射表面或光学元件如透镜或棱镜，因此可以以非常低的价格制造。

[0053] 本发明的一次性光度测量端头的由以下项组成：

[0054] i)聚合物端头，

[0055] ii)在一个远端上具有毛细管填充通道的开口，

[0056] iii)在另一个远端具有充当光输入耦合部的波导通道的开口和充当光输出耦合部的波导通道的开口，

[0057] iv)并且，其中，毛细管填充通道和充当光输入耦合部的波导通道以及充当光输出耦合部的波导通道彼此连接。

[0058] 光输入耦合部可以被连接到光源并且光输出耦合部可以被连接到光检测器。光源和光检测器是光度测定设备的一部分；优先地，光度测定设备是手持光度计。通过把端头浸入到液体样本中，毛细管填充通道和波导通道被样本填充。来自光源的光被耦合到端头里，并且在端头的光输出耦合部处退出，然后被投射到光检测器。样本的吸光度现在可以被测量来分析样本。光路长度由波导通道的长度给出。因为光通过全内反射传播，波导通道的几何长度可以与光路长度不同。这种差异被校正因子校正。校正因子可以通过已知浓度的物质的校准和使用比尔吸收定律得到的吸收系数来确定。相同的设计的端头然后可以使用相应的校正因子。

[0059] 通常大量不同的被分析物可以利用吸光度测量定量测定。例如，在260纳米处的吸光度测量被用于测量蛋白质，在280纳米处的吸光度测量被用于测定核酸如DNA、RNA和寡核苷酸。在约600-700纳米处的吸光度测量被用于测量颗粒浓度。在这种情况下，光被散射，仅部分光被吸收。散射光不会到达检测器而用于颗粒浓度的度量。

[0060] 在本发明的另一个实施方案里，波导通道是单模波导，只允许限定波长的光传播。这可以通过通道的尺寸和端头材料的折射率来实现。有利地是，这允许仅使用发出白光的带来频谱的单一光源。例如，用于吸光度测量的所使用的波长是由被集成到端头的波导的光传播特性来确定的。所有现有的光度测定设备包含作为设备的一部分的单色器。单色器可以是滤波器、网格或棱镜或者是通过使用单色光源，如激光或具有限定波长的LED来实现。本发明的新颖的特征是，单色器的功能被集成到充当“试管”的端头里。

[0061] 如本领域的技术人员将立即意识到，使用端头的波导通道作为单色器将允许建立非常低的成本的光谱仪或光度计设备，以解决当前分光计/光度计仪器的主要问题。通过使用不同的端头可以选择不同波长。一个以上的单模波导可以被集成到端头里以执行多波长测量。

[0062] 通过充分利用本发明的新颖概念，分光计/光度计设备一般可变得对庞大的用户群可用，并可成为商品。

[0063] 在本发明的另一个实施方案中，端头具有连接到以光输出耦合部为末端的一个以上波导通道的波导通道的一个光输入耦合部。有利地，光输入耦合部通道是多模通道以及一个以上的光输出耦合部通道是不同的单模通道，反之亦然。

[0064] 在本发明的另一个实施方案中，毛细管填充通道具有集成的过滤器，以防止颗粒进入波导通道。

[0065] 在本发明的另一个实施方案中，波导通道涂覆有反射面，典型地但不限于金属反射面，以通过在金属通道表面上的反射来实现穿过波导通道的光传播。

[0066] 在本发明的另一个实施方案中，端头在其光耦合端处是圆锥形状的，以将端头连接到光度测定设备。圆锥形状也可用光度测定设备的光耦合的位置调整端头的光耦合的位置。除了锥形，其它形状可以用于实现对准；这些其他形状可以使用缺口或机械特征实现对准和附接。

[0067] 如果一个以上的单模波导通道被集成到端头中，要测量的波长通过下述被寻址：A)具有用于每个通道的单独的光源并且接入光源以寻址特定通道。B)具有用于每个通道的单独的光源并且读出相应的光源检测器以寻址特定通道。C)通过具有时间上顺序地填充所有的波导通道的毛细管填充机制，并得到时间上顺序的测量值以寻址特定通道。

[0068] 有利地是，本发明的端头和光度测定系统可以使用最少的样本量。利用在微米量级的通道，所需的样本量小于1微升。端头新颖的特征之一是毛细管填充通道。通过浸入样本，整个端头通道，如毛细管填充通道和波导通道，通过毛细管填充被用样本填充。为了填充通道，可以使用一小滴样本。端头和系统可用在患者的手术期间，以用血液或其他体液填充端头用于测量，如氧、葡萄糖或生物指标。

[0069] 在本发明的另一个实施方案中，端头被用于在液体中的比浊或浊度测量。任何分散的胶体系统会散射光，并且该散射光的某一部分将不再通过全内反射或通过在金属表面的反射穿过波导通道传播，并且不会到达光输出耦合部的末端。利用该原理，具有胶体颗粒或细胞的样本将减少用检测器测得的光强度。

[0070] 在本发明的另一个实施方案中，端头被用于液体样本的折射率的测量。本发明的测量折射率的端头有直的波导通道几何结构，接着是转弯的波导通道几何结构。在波导通道几何结构的转弯会引起光在内部和外部转弯半径具有不同的入射角度。如果转弯半径减小，入射角将变得更小。在入射光的特定值处，全内反射或带隙效应的条件不再满足，光被折射到端头介质里并且消失。对于具有低折射率的样本,可以更快达到该条件。换句话说，具有高折射率的样本能够通过具有较小的转弯半径的波导转弯传播。除折射率和转弯半径，光的传播随波长的变化而变化。用于折射率测量的标准波长是589纳米的钠D线。本文公开了几种设计来构造本发明的折射率测量端头。

[0071] 在第一个设计里，端头含有直波导通道几何结构，随后只有一个转弯的波导通道几何结构。使用单色光源。这种设计具有有限的动态范围。

[0072] 在第二个设计里，端头含有直波导通道几何结构，随后只有一个转弯的波导通道几何结构。使用多色光源。这样的设计具有更大的动态范围，但需要光谱仪来分析结果。

[0073] 在第三个设计里，端头含有直波导通道几何结构，随后有至少两个转弯的波导通道几何结构。使用单色光源。这种设计具有较大范围的入射光角度，导致较大的动态范围。

[0074] 另一种设计使用波导通道的离散变化而不是转弯构造折射率测量端头。在本实施方案中，波导通道的线性部分跟随另一个线性部分，其中，两个波导通道在离散的角度交汇。该角度可以从0度到90度。在固定的角度，比如2度，特定折射率的光被全内反射以及稍微低的折射率的光不是全内反射。在先进的设计里，大量这样的角度被结合到设计中。例如，设计的20个不同的单元被集成在测量端头内(可以使用在2和1000之间的任何数量的单元)。每个单元有不同的角度。在用样本填充所有单元后，许多这样的单元将通过全内反射传播光。高于特定临界角的光将不会被单元传播。通过测量所有20个单元的光强度，具有临界角的单元可以被识别。通过了解单元的材料的折射率，可以计算出样本的折射率。可选地，不是测量每个单元的光强度，可以测量20个单元的总光强度。该设计也可以是通过使用所公开的微结构化的充当包层的涂层或薄膜构建。为了减少折射率测量的错误，可使用更大数目的单元。反射面或棱镜可以在全内反射单元之后使用以引导光返回到光检测器[0075] 在本发明的另一个实施方案中，端头具有涂层或屏蔽，以防止环境光被耦合到波导通道。该涂层或屏蔽可以被应用到端头的外表面或在波导通道的内表面或端头的材料内。

[0076] 在本发明的另一个实施方案中，端头的通道包含试剂，当端头被使用以及通道被样本填充时，该试剂与样本混合。端头可包括含有试剂的储液器腔，其中，输液器腔被连接到至少一个通道。试剂可经历与样本中的分析物的反应。通常在反应过程中形成色彩来执行该分析物的比色或光度分析。在本实施方案中，在样本进入波导通道之前，填充通道可含有混合区以混合试剂和样本。试剂可以是染料、荧光团、酶、抗体、螯合剂、金属指示剂、pH指示剂、氧化剂、还原剂、缓冲剂、吸附剂或离子交换剂以从液体样本或它们的混合物除去化学物种。可替代地，试剂还可与液体样本预混合。这个实施方案的例子是使用pH敏感染料或荧光团作为试剂。当用样本填充通道时，pH敏感染料将根据样本的pH值显示出颜色或荧光。通过测量颜色/荧光或一个以上的颜色/荧光值对于彼此的比率，样本的pH值可确定。pH敏感染料的例子是酚酞、荧光素、7-羟基香豆素-3-羧酸、若丹明、间甲酚紫，4-(9-二乙基氨基-5H-7-乙二酸-4b、6、13-三氮杂-茚并[2、1-α]蒽-5-基)-2-甲氧基-6-硝基苯酚(ACIB)和它们的衍生物。

[0077] 在本发明的另一个实施方案中，端头内的通道可以包含限流器和/或毛细管泵以控制毛细管填充的流速。限流器是用来控制流速或停止流动。毛细管泵用于创建更大的毛细管压力，以填充端头的通道或空腔。

[0078] 可选地，端头可以在测量后用来储存样本以供将来分析。这是可能的，因为薄通道将不允许样本蒸发。

[0079] 本发明的端头解决了与光度测定相关联的几个问题，并且克服了几个当前的限制，例如：1)端头不需要金属反射表面或光学元件如透镜和棱镜引导光，因此，可以以非常低的成本来制造。2)昂贵单色器在一次性端头内首次实现，并且波长是通过选择不同的端头来选择的，以大幅度地减小整个光度测定仪器的成本。3)样本间的交叉污染是不可能的。4)可以测量非常小的样本量。5)样本可以从液滴或其他来源被吸进端头并且端头从用于测量的样本源移除。6)端头可以被用来存储测量后的样本的等分试样供将来分析。7)端头可以做得非常小和薄，以进入在实验室或其他样本源找到的所有类型的反应管。8)少量的聚合端头材料是必要的，以减少的端头的成本。9)端头可用于测量不同的分析物和参数，包括折射率。10)与掺入端头的试剂的反应可以被执行来分析各种化学物种以实现在端头里的实验。11)为了实验室工作台或环境测量，端头和光度测定设备可以手持。

[0080] 附图详述

[0081] 提供的附图是为了更好地理解本发明，而不应被解释为限制本发明。为更好地说明，附图尺寸未必是按比例的。

[0082] 图1：描述本发明的端头。在一个远端，具有毛细管填充通道(h)的开口，并且在另一个远端，具有充当光输入耦合部(b)的波导通道的开口，以及充当光输出耦合部(c)的波导通道的开口，以及，在其中，毛细管填充通道(g)和充当光输入耦合部的波导通道和充当光输出耦合部的波导通道在一个点(f)彼此连接。毛细管填充通道在端头的对面的远端(h)结束。端头主体(d)通常由聚合物和玻璃制成。端头可具有圆锥形的末端(a)以将端头连接到光度测定设备。横截面(A)描绘具有波导通道的端头主体。横截面(B)描绘毛细管填充通道的开口。描绘的端头是最简单的变体，并且不应被解释为限制本发明。填充和波导通道可以具有不同的形状，例如弯曲或折叠，以获得更长的长度。通道的直径可在通道的长度上变化。端头主体可以是圆形或椭圆形或矩形或任何其它形状的。毛细管填充通道连接到波导通道的点可以是波导通道上的任何点。一个以上的毛细管填充通道和波导通道可以被集成到端头里。

[0083] 图2：描绘了本发明的端头设计和横截面的细节。A)使用折射率低于1.33的聚合物材料的端头设计和横截面，描绘了波导通道(a)和端头材料(b)。B)使用气隙的端头设计和横截面，描绘了波导通道(a)、端头材料(b)、气隙(d)和在波导通道(a)内容纳液体样本的管结构(c)。C)具有内部反射涂层的波导通道(a)的端头设计和横截面，描绘了波导通道(a)、端头材料(b)和反射涂层的材料(e))。D)在内部波导通道上使用微结构化的层、涂层或膜的端头设计和横截面，描绘了充当芯的波导通道(a)、端头材料(b)和微结构化的涂层或包层(f)。通常，充当包层的涂层显示带隙效应以将光限制在用液体样本填充的内部中空的芯内。通常，包层包含阵列或用空气填充的规则或不规则的结构。

[0084] 图3：描绘了本发明的用来测量折射率的端头的设计。A)基于具有不同的转弯半径Tl和T2的弯曲的波导通道(c)和(d)的端头设计，描绘了波导通道输入耦合部(a)和波导通道输出耦合部(b)、端头材料(e)。B)基于起始于(a)并且结束于(b)的两个波导通道的端头设计，并且，其中，两个波导通道在离散角(αl)交汇。该图描绘了具有不同的角度(αl)和(α2)和(α3)的这样的组件的3个单元。特定折射率的样本仅可以通过全内反射引导光直到临界角。在示例图中，光可通过具有角度(αl)和(α2)的单元被引导，但不通过具有角度(α3)的单元被引导。通过测量(b)点的光强度，具有临界角的光线引导单元可以被识别并且样本的折射率可以被计算出来。可选地，反射表面或棱镜(f)用于引导光返回到检测器。为了更好的说明，仅3个不同的单元被描绘出；端头可含有多达1000个这样的单元，以提供精确的反射率测量。对于A和B两种设计，毛细管通道是在任何位置被连接到波导通道，以用样本填充波导通道。波导通道的内表面可具有充当包层并且显示带隙效应以将光限制在用液体样本填充的内部中空的芯内的涂层。通常，包层包含阵列或用空气填充的规则或非规则的结构。

[0085] 本发明的实施方案将在下面的段落中进行总结。

[0086] 第1段，一次性光度测量端头由以下项组成：

[0087] v)聚合物端头，

[0088] vi)在一个远端上具有毛细管填充通道的开口，

[0089] vii)在另一个远端具有充当光输入耦合部的波导通道的开口和充当光输出耦合部的波导通道的开口，

[0090] viii)并且，其中，毛细管填充通道和充当光输入耦合部的波导通道以及充当光输出耦合部的波导通道彼此连接。

[0091] 第1段的端头，其中，光源被连接到光输入耦合部并且光检测器被连接到光输出耦合部来执行光度或荧光或比浊或浊度或折射率的测量。

[0092] 第1段的端头，其中，端头的长度介于0.5厘米和10厘米之间。

[0093] 第1段的端头，其中，端头在它的毛细管填充通道末端的直径介于50微米到10毫米之间。

[0094] 第1段的端头，其中，端头在它的光耦合末端的直径介于1毫米到20毫米之间。

[0095] 第1段的端头，其中，聚合物材料具有低于1.33的折射率。

[0096] 第1段的端头，其中，端头具有应用到波导通道的内壁上充当包层的低折射率的薄膜或涂层。

[0097] 第1段的端头，其中，端头具有微结构表面，其形成空气孔或空气填充的区域的二维周期阵列或结构，被施加到波导通道的内壁并且呈现光子带隙效应以及充当包层。

[0098] 第1段的端头，其中，毛细管通道和波导通道具有介于1平方微米和1平方毫米之间的横截面。

[0099] 第1段的端头，其中，毛细管通道和波导通道的横截面是不同的，并且随着通道长度而变化。

[0100] 第1段的端头，其中，波导通道具有弯曲或折叠形状的数倍于端头长度的长度，其中，该倍数高达1000倍。

[0101] 第1段的端头，其中，毛细管通道和波导通道是相同的。

[0102] 第1段的端头，其中，光输入耦合部的开口和光输出耦合部的开口是相同的。

[0103] 第1段的端头，其中，波导通道的尺寸和弯曲角度被选择以仅引导特定波长间隔的光或仅引导一个波长的光。

[0104] 第1段的端头，其中，波导通道的尺寸和弯曲角度被选择以仅引导大于特定的折射率的光。

[0105] 第1段的端头，其中，端头具有一个以上的波导通道。

[0106] 第1段的端头，其中，至少一个棱镜和至少一个反射表面被用来引导光。

[0107] 第1段的端头，其中，毛细管填充通道具有集成的过滤器。

[0108] 第1段的端头，其中，端头具有连接到一个以上的光输出耦合部通道的一个光输入耦合部通道，或反之亦然。

[0109] 第1段的端头，其中，端头包含与填充通道的样本混合的试剂。

[0110] 第1段的端头，其中，端头包括容纳至少一种试剂的储液器腔并且其中储液器腔被连接到至少一个通道。

[0111] 通过使用以下项进行光度测量的系统和方法：

[0112] i)聚合物的一次性的光度测量端头，

[0113] ii)在一个远端上具有毛细管填充通道的开口，

[0114] iii)在另一个远端具有充当光输入耦合部的波导通道的开口和充当光输出耦合部的波导通道的开口，

[0115] iv)并且，其中，毛细管填充通道和充当光输入耦合部的波导通道以及充当光输出耦合部的波导通道彼此连接。

[0116] v)并且，其中，光输入耦合部被连接到光源，并且光输出耦合部被连接到光检测器[0117] vi)并且，其中，端头在毛细管填充通道的远端浸入液体样本，引起通道被样本填充以进行光度或荧光或比浊或浊度或折射率测量。

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一次性光度测量端头

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