專利名稱：用于例如微傳感器的光學(xué)微陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)微陣列的制造，該光學(xué)微陣列包括一種用于例如 微傳感器的、高品質(zhì)的聚合物(塑料)窗口陣列。
背景技術(shù)：
在臨床微生物分析、環(huán)境、健康與安全、食品/飲料以及化學(xué)處理應(yīng)用 中，用于例如多分析物傳感器的聚合物光學(xué)微陣列必須是高度透明的，并 且光學(xué)分析信號(hào)的相互串?dāng)_最小。傳統(tǒng)的試圖生產(chǎn)單件窗口陣列的聚合物 處理技術(shù)直到現(xiàn)在也未成功，這是由于其不能產(chǎn)生足夠高透明度的窗口 (低 光學(xué)信號(hào)衰減)和/或這些窗口之間足夠低的信號(hào)串?dāng)_水平。
使用兩種材料即用于傳送光信號(hào)的光學(xué)透明微結(jié)構(gòu)以及用于機(jī)械支承 件和光信號(hào)隔離(防止串?dāng)_)的光學(xué)不透明框架材料產(chǎn)生與這種陣列的制 造特別是裝配有關(guān)的問(wèn)題。在框架內(nèi)光學(xué)微結(jié)構(gòu)(透鏡、窗口)的定位和 固定對(duì)過(guò)程和材料具有較高的要求(位置精度、光學(xué)結(jié)構(gòu)的破壞、收縮差 異)，同時(shí)需要特別關(guān)注微結(jié)構(gòu)和框架的相互結(jié)合。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于制造聚合物本體的方法，該聚合物本體 包括一個(gè)或多個(gè)透明的第一區(qū)域，以及一個(gè)或多個(gè)不透明的第二區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種與化學(xué)傳感器結(jié)合使用的光學(xué)微陣 列，包括聚合物本體，該聚合物本體包括一個(gè)或多個(gè)透明的第一區(qū)域，該
透明區(qū)域被不透明的第二區(qū)域分割；其中該微陣列由單體組成；該透明區(qū) 域由非結(jié)晶聚合物形成，而該不透明區(qū)域由結(jié)晶聚合物形成。
可以在這樣的理解即聚合物的形態(tài)可以包括非晶形的(非結(jié)晶的、透 明的)區(qū)域和/或結(jié)晶(不透明)區(qū)域的基礎(chǔ)上，制造微陣列。通過(guò)聚合物 的熱過(guò)程特別是通過(guò)冷卻速度確定所謂的半結(jié)晶聚合物的結(jié)晶度。通?？?br>
以說(shuō)，快速冷卻將抑制晶體的形成，從而造成多個(gè)非晶形聚合物，而慢慢 冷卻則會(huì)導(dǎo)致晶體的形成和生長(zhǎng)。
根據(jù)另一個(gè)方面，根據(jù)本發(fā)明的方法包括下面的步驟-
a. 通過(guò)應(yīng)用本身已知的任何方法生產(chǎn)半成品本體，該半成品本體包括 所述第一和第二區(qū)域，然而所述第一和第二區(qū)域在該半成品階段中或者兩 者都是透明的或者兩者都是不透明的；
b. 當(dāng)該半成品本體的第一和第二區(qū)域是透明的時(shí)，將所述第二區(qū)域中 的聚合物加熱至聚合物熔化溫度之上，隨后慢慢地冷卻，以便實(shí)現(xiàn)該第二 區(qū)域中的聚合物的實(shí)質(zhì)上的結(jié)晶；
c. 當(dāng)該半成品本體的第一和第二區(qū)域是不透明的時(shí)，將所述第一區(qū)域 中的聚合物加熱至聚合物熔化溫度之上，隨后快速地冷卻，以便防止該第 一區(qū)域中的聚合物的實(shí)質(zhì)上的結(jié)晶；
d. 在進(jìn)一步附加步驟中，該透明區(qū)域可提供有光學(xué)活性的材料；以便 在暴露于待測(cè)試的化學(xué)物質(zhì)之前、期間或之后光學(xué)讀出；從而該聚合物窗 口可以在(微)傳感器中用于測(cè)試目的。優(yōu)選地，該傳感器為多個(gè)分析物 類型。
優(yōu)選從完全不透明的半成品本體開始(選擇c)，因?yàn)槔鋮s時(shí)間必須足 夠短，以便防止第一區(qū)域中的聚合物的實(shí)質(zhì)上的結(jié)晶，因此，該冷卻時(shí)間 將比從完全透明的半成品本體開始(選擇b)的時(shí)間更短，其中冷卻時(shí)間相 當(dāng)長(zhǎng)，即對(duì)第二區(qū)域中的結(jié)晶過(guò)程來(lái)說(shuō)足夠長(zhǎng)，以便在那里實(shí)現(xiàn)不透明形 態(tài)。
另一方面，優(yōu)選從完全透明的半成品本體開始(選擇b)，因?yàn)樽畛蹩?以將焦點(diǎn)放在半成品本體開始材料的光學(xué)透明度上，因而忽略在最終制造 階段中解決的可能的信號(hào)串?dāng)_問(wèn)題，即通過(guò)(再)加熱和結(jié)晶第二區(qū)域， 從而用作串?dāng)_防止擋板。
通過(guò)例如已知的過(guò)程像注射成型，例如借助壓花或通過(guò)巻繞 (roll-to-roll)過(guò)程等溫壓薄片或膜等制造半成品聚合物本體。當(dāng)從完 全透明的半成品本體開始時(shí)，在第二生產(chǎn)步驟中，例如在光學(xué)透明的(微) 窗口周圍實(shí)現(xiàn)光學(xué)不透明的、抗串?dāng)_的擋板。當(dāng)從完全不透明的半成品本 體開始時(shí)，在第二生產(chǎn)步驟中，可以在不透明環(huán)境內(nèi)制造例如光學(xué)透明的
(微)窗口。在任一情況下，局部地熔融半成品本體的聚合物，并且然后 以可控的方式冷卻，或者快速地，以防止(再)結(jié)晶，或者慢慢地，以實(shí) 現(xiàn)有意的(再)結(jié)晶。
可以在用于制造半成品本體的模具的內(nèi)部或外部執(zhí)行半成品本體的局 部加熱?？梢詰?yīng)用電、流體、激光加熱，微波以及超聲加熱，以便將非晶 形的聚合物結(jié)構(gòu)變成半結(jié)晶或相反。在沒(méi)有對(duì)聚合物加添加物的情況下，
可以使用C02激光器，或者通過(guò)添加NIR吸收添加物使用二極管激光器。
將聚合物變成主要是非晶形的冷卻速度為每秒鐘幾十?dāng)z氏度的數(shù)級(jí)。 然而，當(dāng)冷卻速度約為每秒鐘百分之幾攝氏度時(shí)，達(dá)到實(shí)質(zhì)上的結(jié)晶狀態(tài)。
圖la和lb表示半成品本體的兩個(gè)示范性實(shí)施方式，其用作在隨后的 步驟中制造的用于微窗口陣列的初始結(jié)構(gòu)。
圖2表示根據(jù)上述方法制造的聚合物本體的例子，其從如圖la所示的 完全透明的半成品本體開始。
圖3表示根據(jù)上述方法制造的聚合體的例子，其從如圖lb所示的完全
不透明的半成品本體開始。
圖4示意性地表示包括根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的光學(xué)微陣列的化學(xué)傳感器。
具體實(shí)施例方式
圖la表示在半成品形式中(例如通過(guò)注射成型制造)，完全透明(著 黑色)的聚合體l，其包括幾個(gè)第一區(qū)域2和幾個(gè)第二區(qū)域3。第一區(qū)域2 和第二區(qū)域3兩者都是透明的，如同完整本體l。
圖lb表示在半成品形式中(例如通過(guò)注射成型制造)，完全不透明(著 白色)的聚合物本體l，其包括幾個(gè)第一區(qū)域2和幾個(gè)第二區(qū)域3。第一區(qū) 域2和第二區(qū)域3兩者都是不透明的，如同完整本體l。
區(qū)域2的典型尺寸是2x2 mm，因此例如在典型地30x30 mm的本體1上， 矩陣區(qū)域可以有約100個(gè)透明區(qū)域2。優(yōu)選地，在本體1的這些透明區(qū)域2 上，例如，通過(guò)分配技術(shù)如基于粘合劑應(yīng)用或油墨印刷技術(shù)使用化學(xué)選擇
涂層。這種涂層可以與氣態(tài)或液態(tài)介質(zhì)中要分析的物質(zhì)反應(yīng)，改變窗口陣 列的透明區(qū)域的透射性質(zhì)(波長(zhǎng)、吸收)，從而能夠檢測(cè)該物質(zhì)。例如，對(duì) 于檢測(cè)二氧化碳、氨、甲醇、乙醇、燃料等級(jí)以及其它氣態(tài)和液態(tài)物質(zhì)來(lái) 說(shuō)，可以選擇性地應(yīng)用涂層。
因此，如進(jìn)一步參照?qǐng)D4闡明的，光學(xué)微陣列可以形成光學(xué)微傳感器 系統(tǒng)的一部分。圖2和3兩者表示相同聚合物本體1的頂視圖和截面圖， 其中第一區(qū)域2是透明的，而第二區(qū)域3是不透明的。區(qū)域2可以用作透 明的(微)窗口或光閘，而區(qū)域3用作不透明擋板，圍繞窗口區(qū)域l，因而 阻止了單獨(dú)窗口 2之間的光學(xué)串?dāng)_。聚合物本體l由圖la所示的完全透明 的半成品本體1或者圖lb所示的完全不透明的半成品本體1制成。
當(dāng)處于其半成品形式的本體1 (包括區(qū)域2和3)是完全透明的(參見(jiàn) 圖la)時(shí)，為了得到其所需的最終形式，如圖2所示，將區(qū)域3中(即圍 繞每個(gè)單獨(dú)的窗口區(qū)域2的肋部中)的聚合物材料局部地(再)加熱至聚 合物的熔化溫度之上，隨后足夠慢地一每秒鐘百分之幾攝氏度的數(shù)級(jí)—冷 卻，以便實(shí)現(xiàn)(僅)區(qū)域3中的熔融聚合物由于長(zhǎng)冷卻時(shí)間而結(jié)晶，從而 導(dǎo)致肋3的不透明(圖中的白色)，同時(shí)不重新加熱本體的剩余部分包括窗 口2，從而保持該半成品的原始透明度(圖中的黑色)。
當(dāng)處于其半成品形式的本體l (包括區(qū)域2和3)是完全不透明的(參 見(jiàn)圖lb)時(shí)，為了得到其所需的最終形式，如圖3所示，將區(qū)域2中的聚 合物局部地(再)加熱至聚合物的熔化溫度之上，隨后足夠快地一每秒鐘 幾十?dāng)z氏度的數(shù)級(jí)一冷卻，以便防止(僅)區(qū)域2中的熔融聚合物(再) 結(jié)晶，即由于缺少結(jié)晶時(shí)間造成的，從而導(dǎo)致窗口 2的透明度(圖中的黑 色)，同時(shí)本體的剩余部分包括肋3不重新加熱，從而保持本體1的半成品 形式的原始不透明度(圖中的白色)。
當(dāng)半成品本體仍然保持在模中時(shí)，或者在從注模取出半成品本體之后 半成品本體在另外的設(shè)備中時(shí)，例如可以通過(guò)激光加熱分別加熱區(qū)域2或3。
應(yīng)當(dāng)注意到，在兩種情況下-即或者從透明或者從不透明半成品本體1 開始的情況下-處于半成品形式的聚合物本體l可以由(預(yù)制造的)箔制成 或甚至是(預(yù)制造的)箔的一部分-例如儲(chǔ)存在巻筒上-而不是通過(guò)注射成 形制成。當(dāng)由箔制成時(shí)，區(qū)域3 (在圖中稍微突出)優(yōu)選最小地突出或者完
全不突出。
在處于半成品形式的聚合物本體1由例如在存儲(chǔ)線圈纏繞的預(yù)制造的 箔制成或者是預(yù)制造的箔的一部分的情況下，借助一些形式的"壓花"或 "巻繞"處理都可以執(zhí)行這兩種過(guò)程步驟。在這種(更連續(xù)的)處理環(huán)境
中，可以以(半)連續(xù)過(guò)程的形式分別執(zhí)行區(qū)域2或3的加熱，例如，在 半成品(箔)本體的卸載期間，(半)連續(xù)箔流的一部分或者從其存儲(chǔ)線圈 (巻軸)流到另外的存儲(chǔ)線圈或者流到另外的處理或存儲(chǔ)模塊。
圖4示意性地表示包括根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的光學(xué)微陣列1的光學(xué)微 傳感器系統(tǒng)4。這種系統(tǒng)4包括例如排列在微陣列一側(cè)上的光源5，例如是 底部發(fā)光二極管陣列，特別是聚合物發(fā)光二極管。發(fā)光二極管可以是相同 的，或者可以發(fā)射特定的、不同波長(zhǎng)的光。在透射模式下，在微陣列1的 另一側(cè)上，可以提供光電二極管9 (優(yōu)選聚合物光電二極管)的頂部陣列 6。因此，從底部陣列5發(fā)射的光被透射到提供有光化學(xué)活性材料7的微陣 列1上，光化學(xué)活性材料7可以與流動(dòng)物8的一個(gè)或多個(gè)有關(guān)的化學(xué)物質(zhì) 反應(yīng)?？梢栽陉嚵械木植炕蛘麄€(gè)陣列上提供流動(dòng)物8。此外，可以隨后或同 時(shí)將多個(gè)物質(zhì)提供到微陣列1。流動(dòng)物8可以是氣態(tài)或液態(tài)的，并且改變微 陣列1的透明區(qū)域2的透射性質(zhì)(波長(zhǎng)、吸收)，從而能夠檢測(cè)該物質(zhì)。將 底部陣列5和頂部陣列6連接到處理單元10，其包括模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路， 以及用于驅(qū)動(dòng)光源5禾B/或光電二極管9的陣列的處理器。
在本申請(qǐng)的上下文中，如果區(qū)域2適于引導(dǎo)光，則認(rèn)為其是透明的， 特別地，如果至少特定波長(zhǎng)的通過(guò)lmm區(qū)域的光的透光度為至少80X、優(yōu) 選至少90%，更優(yōu)選95-100%，則認(rèn)為其是透明的。
如果區(qū)域3適于用作擋光板，特別地，如果特定波長(zhǎng)的通過(guò)1 mm區(qū)域 的光的透光度為至多20%，優(yōu)選至多10%，更優(yōu)選0_5%，則認(rèn)為其是不 透明的。這種不透明的區(qū)域適于用作擋光板。
原則上，光波長(zhǎng)可以是紫外線、可見(jiàn)光或紅外線譜中的任何波長(zhǎng)，特 別是從190至1500 nm的任何波長(zhǎng)。優(yōu)選地，在至少50 nm，優(yōu)選至少100 nm的波長(zhǎng)范圍上，該區(qū)域是透明兼(respectively)不透明的。通常，該 波長(zhǎng)范圍不超過(guò)250 nm。優(yōu)選地，該透明區(qū)域?qū)?00至800'nm之間的波長(zhǎng) 的光是透明的，不透明區(qū)域?qū)υ摲秶鷥?nèi)的光是不透明的。
光學(xué)微陣列可以由任何半結(jié)晶熱塑性聚合物組成，該聚合物包括共聚 物和摻合物。特別地，這種聚合物包括聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯
(polyethyleneter印hthalates)、聚酰胺、聚甲基戊烯、聚丙烯以及聚萘 二甲酸乙二醇酉旨(polyethylene卿hthalates)。
雖然已經(jīng)參照示范性實(shí)施方式解釋了本發(fā)明，但是其不限于此。例如， 可替換地，例如通過(guò)在陣列1中集成反射表面，或者將陣列放置在傳感器 系統(tǒng)中提供的反射表面(未示出)上，以反射模式提供光學(xué)微陣列。本發(fā) 明的范圍由所附的權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種與化學(xué)傳感器結(jié)合使用的光學(xué)微陣列，包括聚合物本體(1)，該聚合物本體包括一個(gè)或多個(gè)透明的第一區(qū)域(2)，所述透明區(qū)域(2)被不透明的第二區(qū)域(3)分割；其中所述微陣列由單體組成；所述透明區(qū)域由非結(jié)晶聚合物形成，而所述非透明區(qū)域由結(jié)晶聚合物形成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光學(xué)微陣列，其中所述透明區(qū)域提供有光化 學(xué)活性材料；在暴露于待測(cè)試的化學(xué)物質(zhì)之前、期間或之后用于光學(xué)讀出。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)微陣列，其中提供多個(gè)不同的材料以形 成多分析物化學(xué)傳感器。
4. 一種化學(xué)傳感器，包括 光源；根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的光學(xué)微陣列，以及 光學(xué)檢測(cè)器，用于檢測(cè)通過(guò)所述光源發(fā)射并且傳送過(guò)所述光學(xué)微陣列 的輻射，用于待測(cè)試的化學(xué)物質(zhì)的光化學(xué)檢測(cè)。
5. —種化學(xué)傳感器，其中以透射模式提供所述微陣列。
6. —種化學(xué)傳感器，其中以反射模式提供所述微陣列。
7. —種制造根據(jù)權(quán)利要求l-3任一項(xiàng)所述的制造光學(xué)微陣列的方法， 該方法包括下面的步驟a. 通過(guò)應(yīng)用本身已知的方法生產(chǎn)半成品本體，該半成品本體包括所述 第一區(qū)域和所述第二區(qū)域，然而所述第一區(qū)域和所述第二區(qū)域或者兩者都 是透明的或者兩者都是不透明的；b. 當(dāng)該半成品本體的第一和第二區(qū)域是透明的時(shí)，將所述第二區(qū)域中 的聚合物加熱至該聚合物熔化溫度之上，隨后慢慢地冷卻，以便實(shí)現(xiàn)該第二區(qū)域中的該聚合物的實(shí)質(zhì)上的結(jié)晶；c.當(dāng)該半成品本體的第一和第二區(qū)域是不透明的時(shí)，將所述第一區(qū)域 中的該聚合物加熱至聚合物熔化溫度之上，隨后快速地冷卻，以便防止該 第一區(qū)域中的該聚合物的實(shí)質(zhì)上的結(jié)晶。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，進(jìn)一步包括為所述第一區(qū)域提供化學(xué) 光學(xué)活性的材料。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，使用模具制造所述半成品本體，并且 當(dāng)所述半成品本體仍然保持在所述模具中時(shí)，執(zhí)行所述第一或第二區(qū)域的 加熱。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，使用模具制造所述半成品本體，并 且在將所述半成品本體從所述模具取出后，執(zhí)行所述第一或第二區(qū)域的加執(zhí)。 "、、o
11. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，借助一個(gè)或多個(gè)激光束執(zhí)行所述第 一或第二區(qū)域的加熱。
12. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，為了使所述第一區(qū)域透明，應(yīng)用每 秒鐘幾十?dāng)z氏度數(shù)級(jí)的冷卻速度。
13. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，為了使所述第二區(qū)域不透明，應(yīng)用 每秒鐘百分之幾攝氏度數(shù)級(jí)的冷卻速度。
14. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，將所述半成品本體存儲(chǔ)于存儲(chǔ)裝置， 并且在所述存儲(chǔ)裝置處，當(dāng)所述半成品本體仍然保持在模具中時(shí)執(zhí)行所述 第一或第二區(qū)域的加熱。
15. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，將所述半成品本體存儲(chǔ)于第一存儲(chǔ)裝置，并且當(dāng)將所述半成品本體從所述第一存儲(chǔ)裝置移動(dòng)到第二存儲(chǔ)裝置 時(shí)，執(zhí)行所述第一或第二區(qū)域的加熱。
全文摘要
一種與化學(xué)傳感器結(jié)合使用的光學(xué)微陣列，包括聚合物本體(1)，該聚合物本體包括一個(gè)或多個(gè)透明的第一區(qū)域(2)，該透明區(qū)域(2)被一個(gè)或多個(gè)不透明的第二區(qū)域(3)分割；其中該微陣列由單體組成；該透明區(qū)域由非結(jié)晶聚合物形成，而該不透明區(qū)域由結(jié)晶聚合物形成。當(dāng)該半成品本體是完全透明時(shí)，將第二區(qū)域中的聚合物加熱至聚合物的熔化溫度之上，隨后慢慢地冷卻，以便實(shí)現(xiàn)第二區(qū)域中的聚合物的實(shí)質(zhì)上的結(jié)晶。當(dāng)該半成品本體是完全不透明的時(shí)，將所述第一區(qū)域中的聚合物加熱至聚合物的熔化溫度之上，隨后快速冷卻，以便防止第一區(qū)域中的聚合物的實(shí)質(zhì)上的結(jié)晶。
文檔編號(hào)B29C71/02GK101370632SQ200780002537
公開日2009年2月18日 申請(qǐng)日期2007年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月18日
發(fā)明者A·G·M·比曼斯, J·M·G·丘嫩, R·M·德茨瓦特 申請(qǐng)人:荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究會(huì)(Tno)