專利名稱：作為傳感器的多孔微球共振器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及光學(xué)器件，尤其涉及基于微諧振器的光學(xué)器件。
背景電介質(zhì)微球或平面波導(dǎo)環(huán)或圓盤形共振器在傳感應(yīng)用方面(包括生物傳感)越來(lái)越引起人們的注意。這些類型的共振器尺寸通常對(duì)于微球而言為約20μm到幾毫米，對(duì)于環(huán)或圓盤形共振器而言為5μm到幾十微米。這些微球和環(huán)或圓盤形共振器通常稱作微諧振器。在大部分常見的微諧振器基生物傳感器結(jié)構(gòu)中，微諧振器接近于光波導(dǎo)(如光纖)，其幾何形狀經(jīng)過特別調(diào)整，例如為錐形或蝕刻到尺寸為1-5μm。
對(duì)波導(dǎo)的錐形修改導(dǎo)致在波導(dǎo)外部具有大量光場(chǎng)，因此光可能耦合進(jìn)微諧振器并激勵(lì)它的本征模式，通常稱作回音壁模式(WGM)。當(dāng)使用由低損耗材料制成并具有高表面質(zhì)量的微諧振器時(shí)，在WGM中光傳播的傳播損耗極低，而質(zhì)量指標(biāo)極高，也稱作Q-指標(biāo)其值高達(dá)109。由于較高的Q-指標(biāo)，光可以在微球共振器內(nèi)部循環(huán)極長(zhǎng)時(shí)間，從而在腔模式中產(chǎn)生極大的場(chǎng)增強(qiáng)和極長(zhǎng)的有效光路。這使得這種裝置適用于非線性光學(xué)和傳感應(yīng)用中。在傳感應(yīng)用中，待感測(cè)的樣品置于球表面上，在那里它們與微諧振器外部的WGM的漸消部分相互作用。由于場(chǎng)增強(qiáng)以及光和樣品之間的相互作用長(zhǎng)度增大，因而微諧振器基光學(xué)傳感器具有高靈敏度和/或低檢測(cè)限的特征。
發(fā)明概述存在不同的應(yīng)用需要提高引入到微諧振器表面上的材料的量。使用多孔表面可以使更大量的材料被捕獲到微諧振器表面上或與其接近，從而提高材料和微諧振器中的光傳播間的光學(xué)相互作用。因此，本發(fā)明的一部分涉及至少在微諧振器的表面上包括多孔材料。
一種這樣的應(yīng)用是微諧振器在傳感器中用于檢測(cè)分析物。盡管微諧振器基傳感器具有較高的靈敏度，但仍需要進(jìn)一步提高這種裝置的靈敏度，從而降低檢測(cè)限。微球共振器的較高靈敏度部分在于，如前部分中所述，WGM中的光和球表面上的樣品間的較大有效的相互作用面積。使用多孔表面允許更多分析物參加與微諧振器內(nèi)的光傳播的相互作用。本發(fā)明的一個(gè)特別實(shí)施方案涉及一種微諧振器裝置，其包括產(chǎn)生光的光源以及耦合的第一波導(dǎo)，用于從該光源接收光。安裝有至少一個(gè)微諧振器，用于從該第一波導(dǎo)將光耦合進(jìn)微球。該微諧振器限定回音壁模式，并具有至少一個(gè)多孔表面區(qū)域。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案涉及一種檢測(cè)分析物的方法。該方法包括使光進(jìn)入第一波導(dǎo)，使從該第一波導(dǎo)來(lái)的光耦合進(jìn)具有多孔表面區(qū)域的微諧振器。該多孔耦合區(qū)域用含有分析物的流體覆蓋。檢測(cè)從該微諧振器來(lái)的光，從檢測(cè)的光確定分析物的存在。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案涉及一種微諧振器，其包括按微諧振器操作的主體，該主體在至少第一波長(zhǎng)處限定回音壁模式。至少該主體的外部是多孔的。
本發(fā)明的上面概述不意圖描述本發(fā)明每種所示的實(shí)施方案或每種實(shí)施方式。下面的附圖和詳細(xì)說(shuō)明更特別地說(shuō)明了這些實(shí)施方案。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明結(jié)合下面對(duì)本發(fā)明各種實(shí)施方案的詳細(xì)說(shuō)明及附圖可以更完全地理解本發(fā)明，其中

圖1A和1B示意性地表明微諧振器基裝置的實(shí)施方案；圖2示意性地表明微諧振器內(nèi)的光傳播的電場(chǎng)分布；圖3示意性地表明根據(jù)本發(fā)明原理的實(shí)施方案的微諧振器內(nèi)光傳播的電場(chǎng)分布；圖4示意性地表明根據(jù)本發(fā)明原理的另一個(gè)實(shí)施方案的微諧振器；圖5是表明針對(duì)根據(jù)本發(fā)明制造的各種樣品，實(shí)驗(yàn)得到的多孔薄膜厚度的圖形；圖6是表明針對(duì)根據(jù)本發(fā)明制造的各種樣品，實(shí)驗(yàn)得到的折射率值的圖形；和圖7和8是根據(jù)本發(fā)明原理制造的不同實(shí)施方案的微諧振器的實(shí)驗(yàn)得到的共振圖。
盡管本發(fā)明可以有各種修改和變更形式，但是附圖作為例子說(shuō)明具體方案，并將詳細(xì)說(shuō)明。然而，應(yīng)該理解，本發(fā)明不意圖限于所述的實(shí)施方案。相反，本發(fā)明意圖覆蓋所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明精神和范圍內(nèi)的所有修改、等價(jià)物和變更。
詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明涉及使用微諧振器(如微球和微平面環(huán)或圓盤形共振器)并適于有源和/或無(wú)源應(yīng)用的光學(xué)器件。本發(fā)明被認(rèn)為特別適用于使用這種微諧振器的傳感應(yīng)用中，其中待感測(cè)的材料置于微諧振器表面上或與其接近。
圖1A示意性地表明使用微諧振器的示例性系統(tǒng)100。這種特定的系統(tǒng)100可用于傳感器裝置中。光源102沿波導(dǎo)104將光導(dǎo)向檢測(cè)器單元106。微諧振器110與波導(dǎo)104光學(xué)耦合。從光源102發(fā)出的光108發(fā)射進(jìn)波導(dǎo)104，并向檢測(cè)器單元106傳播。微諧振器110漸消地從波導(dǎo)104中耦合出光108的一些。向外耦合的光112以微諧振器110的一個(gè)共振頻率在微諧振器110內(nèi)傳播。
光源102可以是任何適合類型的光源。為提高效率和靈敏度，有利的是，光源(如激光二極管)可產(chǎn)生有效地耦合進(jìn)波導(dǎo)104的光(例如激光)。光源104產(chǎn)生其波長(zhǎng)與待感測(cè)的物質(zhì)相互作用的光108。光源104可以是可調(diào)的，并可以單一縱向模式產(chǎn)生或不產(chǎn)生光108。
光源102可以將光導(dǎo)入多個(gè)不同的波導(dǎo)，波導(dǎo)104是其中的一個(gè)。波導(dǎo)104可以是任何適合類型的波導(dǎo)，例如可以是，形成在基底中或其上的平面或通道波導(dǎo)，如形成在氧化硅基底中的波導(dǎo)。波導(dǎo)104也可以是光纖。
檢測(cè)器單元106包括光檢測(cè)器，例如光電二極管或光電晶體管，用于檢測(cè)光。檢測(cè)器單元也可以包括波長(zhǎng)選擇器件，用于決定到達(dá)光檢測(cè)器的光的波長(zhǎng)。波長(zhǎng)選擇器件例如可以是濾波器或分光計(jì)。波長(zhǎng)選擇器件，例如分光計(jì)，可以是可調(diào)的，從而允許用戶主動(dòng)地改變?nèi)肷涞焦鈾z測(cè)器上的光的波長(zhǎng)。
微諧振器110可以與波導(dǎo)104接觸或極其接近，從而沿波導(dǎo)104傳播的光106的一部分漸消地耦合進(jìn)微諧振器110。在包覆層微諧振器110與波導(dǎo)104耦合處，波導(dǎo)104通常沒有包覆層，或具有極薄的包覆層，從而微諧振器110與波導(dǎo)芯直接耦合。
圖1B示意性地表明另一種類型的微諧振器裝置150。在此裝置150中，從微諧振器110來(lái)的光158耦合進(jìn)第二個(gè)波導(dǎo)154，并傳播到檢測(cè)器106。在此構(gòu)造中，檢測(cè)器106不直接檢測(cè)從光源102來(lái)的光。
光以所謂的″回音壁模式″在微諧振器110中傳播，其例子示意性地表明在圖2中。在回音壁模式(WGM)202中，光從起始點(diǎn)通過多次全內(nèi)反射繞微諧振器210傳播，直到返回到起始點(diǎn)。在所示的實(shí)施方案中，在一次往復(fù)中WGM 202包括八次全內(nèi)反射。應(yīng)該理解，光可按相應(yīng)于不同次數(shù)的全內(nèi)反射以其他WGM在微諧振器210內(nèi)傳播。
此外，微諧振器210中的WGM是光的高Q模式，這種光其波長(zhǎng)等于回音壁模式的往復(fù)長(zhǎng)度的積分部分。換句話說(shuō)，回音壁模式僅證實(shí)了一種高Q，其中光的波長(zhǎng)在一次往復(fù)后肯定受到干擾。數(shù)學(xué)上這種共振條件可以描述為λm＝L/m(1)其中λm是mth模式的波長(zhǎng)，L是WGM一次往復(fù)的光程，m是整數(shù)，稱作模數(shù)。微諧振器從波導(dǎo)104有效地耦合入滿足共振條件(1)的光。
其中WGM在微諧振器210的一側(cè)入射的WGM的振幅，在微諧振器210的內(nèi)表面達(dá)到峰值。WGM的振幅在微諧振器210外側(cè)呈指數(shù)級(jí)衰減，指數(shù)衰減因子為d，d≈λ/n，其中λ是光的波長(zhǎng)，n是微諧振器210外側(cè)介質(zhì)的折射率。WGM 202沿剖切線AA′的場(chǎng)振幅示意性地表明在圖2中。
待檢測(cè)的分析物樣品被加到微諧振器的表面。在一個(gè)方法中，至少微諧振器表面的多孔區(qū)域，或可選擇地全部微諧振器，與含有分析物的流體接觸。例如，流體可以是含有分析物的液體溶液或懸浮液，或可以是含有分析物的氣態(tài)混合物。通過漸消耦合實(shí)現(xiàn)WGM和微諧振器表面上的分析物之間的光-物相互作用。
因?yàn)楣?物相互作用與WGM的局部電場(chǎng)的強(qiáng)度成比例，所以提高靈敏度的一種方法是使樣品經(jīng)受最大電場(chǎng)，因此與WGM發(fā)生最大相互作用。此外，微諧振器內(nèi)部和外部間的折射率變化取決于吸附表面積和樣品分子量。需要較大的相互作用面積，特別是對(duì)于檢測(cè)形成單層或極薄層的小分子量分子而言。
根據(jù)本發(fā)明，在微諧振器中，至少使用多孔材料形成微諧振器的表面。例如，微諧振器可以完全由多孔材料形成，或從非多孔材料的芯形成，同時(shí)在非多孔芯包圍有多孔材料涂層。在任一種情況下，有利的是，多孔材料的孔尺寸小于探針光的波長(zhǎng)，從而避免對(duì)Q-指標(biāo)有任何明顯的影響。
層狀多孔微諧振器300的一個(gè)特定實(shí)施方案示意性地表明在圖3中，其具有在芯304外面的多孔層302。芯304可以由非多孔材料形成，或者可以是中空的芯。與多孔層302被空氣(或溶液，如水)所代替的情況相比，WGM的電場(chǎng)朝向多孔層302移動(dòng)。因此，電場(chǎng)有較大部分在多孔層302中，如圖3所示，在進(jìn)行感測(cè)時(shí)，可以使分析物接觸到高水平電場(chǎng)，由此提高了光和分析物之間的相互作用。此外，使用多孔層302可以使分析物在WGM 306的區(qū)域中更為密集，從而進(jìn)一步提高了光-分析物相互作用。分析物的密度至少部分地取決于微諧振器的表面積表面積增加可以使更多位點(diǎn)粘附分析物，因?yàn)榉治鑫飪A向于在微諧振器上形成單層。使用多孔表面使表面積增大。在一個(gè)例子中，非多孔粒子的表面積約為1m2/克材料(1m2/g)。多孔材料的表面積可以是1000m2/g或更大。如果多孔材料是芯周圍的多孔材料層，那么多孔層的厚度可以小于λ，其中λ是被用于激勵(lì)微諧振器的WGM的光的波長(zhǎng)。多孔層的厚度也可以小于λ/10。
層狀微諧振器400設(shè)計(jì)的變形示意性地表明在圖4中。在此實(shí)施方案中，多孔層402的厚度在芯404周圍并不總是恒量。這種實(shí)施方案的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，當(dāng)多孔層402的最薄部分406接近于波導(dǎo)408時(shí)，當(dāng)在WGM 410和波導(dǎo)408間耦合光時(shí)發(fā)生的散射損耗減小。然后，耦合進(jìn)WGM 410的光絕熱地傳遞到多孔層402中，用于感測(cè)。
微諧振器的多孔表面可以被改性，以吸引所需的分析物。一旦所需的分析物被吸引到多孔表面上，或接近于多孔表面，那么微諧振器的光譜性能就發(fā)生改變。例如，微諧振器的表面可以被處理，以吸引蛋白，DNA分子，病毒，或細(xì)菌。在制備用于吸引蛋白的微諧振器的例子中，微諧振器的表面首先可以用抗體或抗原處理，從而當(dāng)置于分析物溶液中時(shí)，抗體和抗原中的另一個(gè)被吸引到微諧振器上?？乖梢栽诩?xì)菌的細(xì)胞壁上表達(dá)，在這種情況下，細(xì)菌可以被吸引到微諧振器上。
在制備用于吸引DNA分子的微諧振器的例子中，微諧振器首先被處理成在其多孔表面上固定有特定DNA鏈。固定在微諧振器表面上的DNA鏈具有高度選擇性，并僅與其互補(bǔ)鏈(cDNA)結(jié)合。病毒生物傳感器可以具有被吸引到其多孔表面上的互補(bǔ)DNA片段。該片段與通常較大病毒的DNA分子的一部分互補(bǔ)。cDNA片段優(yōu)選足夠長(zhǎng)，從而其可與病毒DNA分子牢固地結(jié)合。然后，可以光學(xué)測(cè)定病毒DNA分子的存在。帶有微諧振器的DNA的用途公開在S.Chan等人，″Nanoscalesilicon microcavities for biosensing″，Materials Science and Engineering C15，頁(yè)277-282(2001)，在此引入作為參考。
任何適合類型的材料都可以用于微諧振器。在微諧振器包括覆蓋在芯上的多孔層的技術(shù)中，芯可以是任何適合類型的玻璃，例如氧化硅玻璃；改性的硅酸鹽玻璃，如堿金屬硅酸鹽玻璃；重金屬氧化物玻璃；鹵化物玻璃，如氟化物玻璃；鹵氧化物玻璃；硫族化物玻璃；和磷酸鹽玻璃。此外，芯也可以是中空的，不需要完全是實(shí)心的。因此，芯可以是中空體，例如中空球體。
多孔材料層可以由任何適合的多孔材料形成，其在用于分析的波長(zhǎng)下是透明的。例如，多孔層可以由溶膠-凝膠涂層，表面活性劑模板材料，微粒涂層，液晶層等形成。
整個(gè)微諧振器也可以由多孔材料制成，例如多孔玻璃VycorTM，從Corning Inc.，NY得到。
此外，多孔層可以用光學(xué)活性的材料摻雜。例如，多孔層的材料可以用光學(xué)可激勵(lì)的物質(zhì)來(lái)?yè)诫s，如稀土離子，從而產(chǎn)生光學(xué)增益。因此，微諧振器內(nèi)的光傳播可用于泵激光學(xué)可激勵(lì)的物質(zhì)，從而在光學(xué)可激勵(lì)的物質(zhì)放大的波長(zhǎng)下得到增益和/或激光振蕩。微諧振器可以在光學(xué)可激勵(lì)的物質(zhì)放大的波長(zhǎng)下振蕩。因此，使用不同于從波導(dǎo)耦合進(jìn)微諧振器的光的波長(zhǎng)，微諧振器可用于感測(cè)分析物。
可以理解，不同類型的光學(xué)活性材料可以被引入到微諧振器的表面上，以與微諧振器的WGM內(nèi)的光傳播相互作用。相互作用例如可以包括吸收光，發(fā)射光，或一些其他類型的相互作用。例如，有機(jī)染料可以引入到微諧振器的表面，而微諧振器內(nèi)的光傳播使染料發(fā)熒光。這樣甚至在加到微諧振器表面上的材料放大的光的波長(zhǎng)下，也可以在WGM上產(chǎn)生振蕩。
實(shí)施例1多孔層使用溶膠-凝膠技術(shù)，其中包括成孔劑(如表面活性劑)，用于在芯外形成多孔層。這樣可以控制孔尺寸，這樣可以提供一定的尺寸識(shí)別，例如，單峰孔的直徑約為2～50nm，直徑控制到＜10％。當(dāng)使用Stober球時(shí)，直徑范圍為約2nm～1000nm或更大。
簡(jiǎn)單系統(tǒng)包括混合四乙氧基硅烷，非離子表面活性劑，酸，水，以及乙醇，形成涂覆溶液?？梢酝ㄟ^浸漬或噴濺將該溶液涂覆到芯球上。如果需要可以通過液體萃取或加熱來(lái)除去表面活性劑。可以通過硅烷偶聯(lián)劑使孔壁官能化。
實(shí)施例2多孔層表面活性劑作為模板的氧化硅薄膜被浸漬涂覆在微球共振器上和涂覆在硅基底上。共振器和硅基底在400℃下煅燒15分鐘，以除去表面活性劑，留下納米直徑的單峰孔。薄膜的多孔性為～25到～50vol.％，折射率為1.21-1.34。
在此實(shí)施例中，設(shè)計(jì)了兩組四個(gè)樣品(8個(gè)條件)。一組的薄膜厚度為40-55nm；第二組的薄膜厚度為230-280nm。涂覆溶液中的氧化硅濃度是用于控制厚度的關(guān)鍵因素。每組四個(gè)樣品中，有兩個(gè)樣品具有較小(～3nm)孔直徑，兩個(gè)樣品具有較大(～10nm)孔直徑。表面活性劑的化學(xué)式量被用于控制孔直徑。應(yīng)注意到，兩組中的孔直徑都比探測(cè)光(＞400nm)的波長(zhǎng)小?？梢灶A(yù)期到，這些多孔涂層有助于通過增大分析物的表面加載來(lái)提高共振生物傳感器的靈敏度。在此實(shí)施例中所述的涂層是氧化硅基的，盡管原理上可以是金屬氧化物、金屬硫化物、金屬或聚合物基的。
使用三種因子、兩種水平的全因子設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)(8個(gè)條件)來(lái)檢測(cè)表I所示的因素對(duì)涂層厚度，涂層多孔性，加熱收縮，折射率，以及孔直徑的影響。用表面活性劑作為模板的氧化硅薄膜涂覆8個(gè)共振器(每種條件1個(gè))和16個(gè)硅基底(每種條件2個(gè))。煅燒每種條件下的每個(gè)微球和一個(gè)涂覆的硅基底(下面詳細(xì)說(shuō)明)。通過橢圓偏光法外延性地表征硅基底上制造和煅燒的薄膜?？梢约僭O(shè)，硅基底上煅燒的薄膜是共振器上煅燒的薄膜的合理近似。
表I.DOE因素和水平
1對(duì)于+條件，基于-0.62M酸-調(diào)節(jié)的-TEOS加乙醇濃度制備涂覆的共振器(以有硅基底)的第一步是合成2.16M基于四乙氧基硅烷的溶液。由此溶液，通過加入表II所示的適合量的表面活性劑和乙醇溶劑來(lái)制備8種涂覆溶液。
通過在9L燒瓶中，混合892mL無(wú)水乙醇(Aaper Alcohol andChemical Company，Shelbyville，KY)，892mL四乙氧基硅烷(Alfa Aesar，Ward Hill，MA)，71.97mL去離子水(18MΩ)，和0.0210mL濃HCl(JTBaker，Phillipsburg，NJ；29％水溶液)來(lái)制備2.16M氧化硅溶膠原溶液。用頂置式氣動(dòng)攪拌器攪拌溶液，并在程序加熱板(帶有溫度探針)上在60℃下加熱90分鐘。溶液冷卻后，在聚丙烯瓶中在0℃下保存。
為制備表II中的酸調(diào)節(jié)的TEOS溶液，將上一段落中的34.48mL2.16M TEOS原溶液，4.14mL 0.07N HCl，和1.38mL去離子水(18MΩ)在60mL聚丙烯瓶中混合。
使用表II所示的制劑制備8種涂覆溶液。用微量吸管將預(yù)定量的酸調(diào)節(jié)的TEOS溶液轉(zhuǎn)移到60mL聚丙烯瓶中。將表面活性劑和乙醇加到瓶中，劇烈搖動(dòng)瓶中內(nèi)含物，直到形成透明均勻溶液。表面活性劑是Pluronic P123(EO20PO70EO20)(BASF，Mount Olive，NJ)和十六烷基三甲基溴化銨(CH3C15H30N(CH3)3Br或CTAB；Aldrich，Milwaukee，WI)。
表II.DOE實(shí)驗(yàn)順序和制劑
注″標(biāo)記″欄指按出現(xiàn)順序的表I中各因素，即表面活性劑類型，表面活性劑/氧化硅比，反應(yīng)物濃度。
將表II所示的每種涂覆溶液轉(zhuǎn)移到20mL閃爍小瓶中。硅晶片<100>切面，p-型，B-摻雜的(3″，從Silicon Sense，Nashua，NH得到)被切成～1cm×2cm部分。通過在LIQUINOX/去離子水溶液中超聲處理2分鐘來(lái)清洗晶片。然后用去離子水漂洗基底2分鐘，在涂覆之前用乙醇漂洗。
將每個(gè)小瓶先后置于浸漬涂覆室中。用每種溶液依次涂覆兩個(gè)Si晶片和一個(gè)微球。晶片和小球垂直放置。浸漬在涂覆溶液中和從中拉出的速率為0.5cm/s。涂層在空氣中干燥。
3天后，每種樣品類型的一個(gè)晶片和每個(gè)涂覆的共振器置于400℃的爐子中，并煅燒15分鐘。在煅燒樣品之前的等待時(shí)間不需要這么久，也可以短至幾小時(shí)。
在晶片樣品冷卻后，對(duì)煅燒和制得的薄膜進(jìn)行橢圓偏光分析。用Gaertner L116A橢圓偏光儀(Skolde，IL)在50°和70°下，測(cè)量硅晶片上的薄膜的數(shù)據(jù)(ψ和δ)，使用從單色HeNe激光器發(fā)出的632.8nm光。每種樣品至少測(cè)量三個(gè)光斑。記錄平均值。通過橢圓偏光儀的軟件測(cè)量單層薄膜的厚度值t和折射率n?；椎膮?shù)是Ns＝3.850；吸收系數(shù)Ks＝-0.020；波長(zhǎng)632.8nm。結(jié)果記錄在表III和IV和圖5和6中。
表III.硅晶片上制造的(未煅燒的)樣品的厚度和折射率
N/A-薄膜太渾濁不能得到數(shù)據(jù)。
很顯然，由于大量的液壓缸128，所以不論什么時(shí)候都保證它們中至少兩個(gè)優(yōu)選數(shù)個(gè)液壓缸把液壓介質(zhì)流輸送到馬達(dá)182。因而，可以保證發(fā)電機(jī)184均勻的電力輸出，而優(yōu)選無(wú)需要任何變頻器。
上述圖14的說(shuō)明也適用于圖15，然而，在圖15的實(shí)施例中，設(shè)置多個(gè)液壓馬達(dá)182、208、210。每個(gè)液壓馬達(dá)182、208、210都連接到各自的發(fā)電機(jī)184、212、214上。在圖15的實(shí)施例中，只設(shè)置三個(gè)馬達(dá)和發(fā)電機(jī)，但在其它實(shí)施例中，波力發(fā)電設(shè)備包括更大數(shù)量的馬達(dá)和發(fā)電機(jī)。例如可以設(shè)置五個(gè)，十個(gè)或二十個(gè)馬達(dá)和發(fā)電機(jī)。各液壓馬達(dá)及其相應(yīng)發(fā)電機(jī)的容量可以如此選定，以使它能產(chǎn)生不同的能量級(jí)。在一個(gè)例子中，三個(gè)發(fā)電機(jī)可以分別能產(chǎn)生0.5MW，0.5MW和2MW。因此，為了產(chǎn)生1MW，可以將兩個(gè)0.5MW發(fā)電機(jī)的液壓馬達(dá)連接到共用主管道180上，而第三個(gè)發(fā)電機(jī)將與主管道180分開。在波浪能總是基本上恒定的地方，各發(fā)電機(jī)及其相應(yīng)的電機(jī)容量每個(gè)都可以選定為其最大可能的等級(jí)，以便減少液壓馬達(dá)和發(fā)電機(jī)的總數(shù)。在波高和波頻有很大波動(dòng)的地方，發(fā)電機(jī)的容量可以根據(jù)二進(jìn)制原理(binary principle)選定，比如1MW、2MW和4MW。通過根據(jù)二進(jìn)制原理選擇發(fā)電機(jī)，能夠用下面的模式將發(fā)電機(jī)接入和接出，以便最佳利用波浪能。
圖16的系統(tǒng)與圖15的系統(tǒng)類似，然而在圖16的系統(tǒng)中，只設(shè)置一個(gè)單獨(dú)的發(fā)電機(jī)184，所述發(fā)電機(jī)184通過齒輪箱185用液壓馬達(dá)<p>表V.主效果總結(jié)
Note使用α值0.1定義顯著性；用t-試驗(yàn)檢測(cè)表面活性劑類型對(duì)折射率的影響；p＝0.079。注意，樣品6的收縮不能被計(jì)算，因?yàn)椴荒軠y(cè)量制造的薄膜的折射率。括號(hào)表明在α＝0.1時(shí)的效果分析中，顯著性不令人滿意。
如所預(yù)料的那樣，涂層厚度和氧化硅濃度之間有較強(qiáng)的相關(guān)性。對(duì)于任何x′s，涂層多孔性或折射率沒有令人滿意的顯著相關(guān)性。收縮和表面活性劑類型/濃度之間有相關(guān)性。具體而言，使用較大表面活性劑和較低反應(yīng)物濃度或較小表面活性劑和較高反應(yīng)物濃度，易于使收縮值最大。
實(shí)施例3使用多孔微諧振器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測(cè)根據(jù)實(shí)施例2所述步驟制造的微諧振器的有效Q-指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)裝置與圖1A所示的相似。在每個(gè)實(shí)驗(yàn)中，纖維108與微諧振器110接觸，二者都浸漬在水中?？烧{(diào)的二極管激光器(Velocity 6304，從New Focus得到)用作光源102，中心波長(zhǎng)約630nm。通過改變驅(qū)動(dòng)激光器內(nèi)壓電激勵(lì)器的電壓，來(lái)調(diào)節(jié)激光器所發(fā)出的光的波長(zhǎng)。當(dāng)波長(zhǎng)與微諧振器的一種或多種回音壁模式112共振時(shí)，耦合進(jìn)微諧振器中的激光功率的量增大，導(dǎo)致檢測(cè)器106的功率下降。
圖7表明檢測(cè)器中的檢測(cè)信號(hào)隨激光調(diào)節(jié)的變化，其中根據(jù)表II中的樣品號(hào)6形成微諧振器。從這些結(jié)果估計(jì)出微諧振器的Q-指標(biāo)約為1.4×106。圖8表明檢測(cè)器中的檢測(cè)信號(hào)隨激光調(diào)節(jié)的變化，其中根據(jù)表II中的樣品號(hào)7形成微諧振器。從這些結(jié)果估計(jì)出微諧振器的Q-指標(biāo)約為2.8×106。
這兩個(gè)結(jié)果證實(shí)，在具有多孔外層的微諧振器中仍可得到高Q-指標(biāo)。
如上所述，本發(fā)明涉及微諧振器，并被認(rèn)為特別適用于使用微諧振器的傳感應(yīng)用中。本發(fā)明不應(yīng)被認(rèn)為限于上述的特定實(shí)施例，而是應(yīng)該被理解成覆蓋所附權(quán)利要求所述的本發(fā)明所有方面。在閱讀本說(shuō)明書后，本發(fā)明可以適用的各種修改、等價(jià)方法及多種結(jié)構(gòu)對(duì)于本發(fā)明領(lǐng)域所屬技術(shù)人員是相當(dāng)清楚的。權(quán)利要求也意圖覆蓋這些修改和裝置。
權(quán)利要求
1.一種微諧振器系統(tǒng)，包括產(chǎn)生光的光源；耦合的第一波導(dǎo)，用于從所述光源接收光；和至少一個(gè)安裝的微諧振器，用于從所述第一波導(dǎo)將光耦合進(jìn)微球，所述微諧振器限定了回音壁模式，并具有至少一個(gè)多孔表面區(qū)域。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述回音壁模式被通過波導(dǎo)從光源耦合進(jìn)微諧振器的光所激勵(lì)，且所述回音壁模式光學(xué)耦合到所述多孔表面區(qū)域。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述微諧振器完全由多孔材料形成。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述微諧振器包括置于芯上的多孔外層。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括光學(xué)耦合的檢測(cè)器，用于從所述微諧振器接收光。
6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中光學(xué)耦合所述檢測(cè)器，以通過所述第一波導(dǎo)從所述微諧振器接收光。
7.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，還包括第二波導(dǎo)，用于耦合所述微諧振器和所述檢測(cè)器間的光。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述微諧振器的多孔表面區(qū)域被改性以吸引分析物。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述微諧振器的多孔表面區(qū)域含有抗原和相關(guān)的抗體之一。
10.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括在液體介質(zhì)和氣態(tài)介質(zhì)之一中的分析物，所述多孔表面區(qū)域與所述液體介質(zhì)接觸。
11.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述微諧振器包括涂敷在在所述多孔區(qū)域上的表面活性劑模板。
12.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述多孔表面區(qū)域其厚度小于光源所提供的光的波長(zhǎng)的十分之一。
13.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，在所述多孔表面區(qū)域上還包括一種光學(xué)活性材料。
14.一種檢測(cè)分析物的方法，所述方法包括使光進(jìn)入第一波導(dǎo)；使從所述第一波導(dǎo)來(lái)的光耦合進(jìn)具有多孔表面區(qū)域的微諧振器；使所述多孔耦合區(qū)域接觸含有分析物的流體；檢測(cè)來(lái)自所述微諧振器的光；和從檢測(cè)的光確定分析物的存在。
15.如權(quán)利要求18所述的方法，還包括掃描耦合進(jìn)所述微諧振器中的光的波長(zhǎng)。
16.一種微諧振器，其包括作為微諧振器操作的主體，所述主體在至少第一波長(zhǎng)處限定回音壁模式，至少所述主體的表面部分是多孔的。
17.如權(quán)利要求16所述的微諧振器，其中所述主體基本上是球形的。
18.如權(quán)利要求16所述的微諧振器，其中所述主體基本上是平面的。
19.如權(quán)利要求16所述的微諧振器，其中所述主體完全由多孔材料形成。
全文摘要
在微諧振器(400)上使用多孔表面(402)可以使更大量的材料被捕獲到微諧振器表面上或與其附近，從而提高材料和該微諧振器的回音壁模式中的光傳播間的光學(xué)相互作用。
文檔編號(hào)G01N21/55GK1867824SQ200480030251
公開日2006年11月22日 申請(qǐng)日期2004年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月14日
發(fā)明者范旭東, 馬克·T·安德森, 克雷格·R·沙爾特 申請(qǐng)人:3M 創(chuàng)新有限公司