用于测量样品变形的光学感测装置的制作方法

1.本发明的一个方面涉及可以测量样品随环境条件变化的变形的光学感测装置。样品可以是生物样品，例如，细胞样品、仿生样品或者合成样品。该变形可以提供关于样品的机械特性的信息。本发明的其他方面涉及光学地测量样品对环境条件变化的响应的光学测量系统和方法。


背景技术：

2.微管抽吸技术(micropipette aspiration)是用于测量样品尤其是生物样品(例如，细胞)的机械特性的技术。在该技术中，样品接触微管的尖端，该微管的半径位于例如1微米与1毫米之间。微管内部的吸入压力(suction pressure)导致样品的一部分被吸入微管。结果，样品的变形程度随着吸入压力的变化而变化。样品的机械特性(例如，弹性模量)可以基于吸入压力的变化与已被吸入微管中的样品部分的相应位移之间的测量到的刺激-响应关系来确定。
3.显微镜相机可以用于跟踪已被吸入微管中的样品部分的位移，以及更一般地跟踪样品的变形。图像分析允许量化该位移，并进而测量吸入压力变化情况下的刺激-响应关系。
4.例如，gonz
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dez等人发表在2019年2月19日第116期biophysical journal第587-594页上的题为“advances in micropipette aspiration:applications in cell biomechanics,models,and extended studies”的文章介绍说，在微管抽吸实验中，可以通过将微管(微毛细管)连接到可调节的蓄水池或者泵来施加吸入压力。在显微镜下通过图像分析确定细胞变化。吸入压力由微管尖端与蓄水池顶部h之间的高度差和水的比重(specific weight)决定。如果有流动，则必须考虑沿微毛细管的压降。
5.然而，这种基于图像的样品变形跟踪方法存在若干缺点。首先，所需的图像分析可能对计算要求较高，因此速度相对较慢。这会导致需要大量时间来进行单个实验。而且，图像分析可能需要相对昂贵的硬件和软件。
6.基于图像的跟踪的另一个缺点是，相对小的变形进而相对小的位移可能难以进行量化。如果例如进入微管的位移与微管尖端半径之比小于0.001，那么可以认为变形相对较小。例如，在研究细胞骨架的不同内部成分对细胞机械特性的作用时，对这些相对较小的变形进行量化可能会引起人们的兴趣。然而，在实践中，显微镜相机的像素尺寸通常太大，无法足够精准地捕获这些相对较小的变形。也就是说，图像分辨率可能不够。更复杂的是，有可能提高分辨率的子像素(subpixel)检测算法要求漂移小到可以忽略不计以及支撑样品的板与微管之间的精确平行，以避免投影误差。


技术实现要素：

7.需要一种技术来测量样品随环境条件变化的变形，该技术允许在以下至少一方面有所改进：分辨率、速度、易用性和成本。
8.如权利要求1中限定的本发明的一个方面提供了一种光学感测装置，包括：
9.具有孔的支撑件，该光学感测装置适于将样品可拆卸地保持在孔周围的支撑件上，使得样品的一部分响应于环境条件变化而通过孔自由变形；以及
10.光波导，该光波导相对于支撑件固定布置，其中光波导的一端部面向孔，使得该端部适于与样品的通过孔自由变形的部分的表面处的折射率不连续性形成光学干涉腔。
11.如权利要求10所限定的本发明的另一方面提供了一种光学测量系统，包括：
12.如上文所限定的光学感测装置；以及
13.光学询问器，该光学询问器适于测量光学感测装置中的光学干涉腔的光谱响应，以检测已测得的光谱响应中的周期性并根据已在光谱响应中检测到的周期性来获得光学干涉腔中的光路长度。
14.如权利要求14所限定的本发明的又一个方面提供了一种光学地测量样品对其所处的环境条件的变化的响应的方法，该方法包括：
15.使用如上文所限定的光学感测装置来在光波导的所述端部与样品的通过孔自由伸出的部分的表面处的折射率不连续性之间形成光学干涉腔，该光学干涉腔具有光路长度；以及
16.测量光学干涉腔的光路长度的变化。
17.在这些方面的每个方面中，与上文描述的基于图像的跟踪相比，本发明允许明显更高的分辨率，利用该分辨率可以测量变形。也即，可以用比基于图像的跟踪可实现的分辨率高几个数量级的分辨率来检测光学干涉腔中的光路长度的变化。此外，引起样品变形的环境条件的变化也可以通过为此目的设计的另一个干涉腔来检测。这允许环境条件变化与响应于环境条件变化的变形变化之间的精确时间匹配。这有助于提高测量精度和准确度。此外，还允许实时监控这些变化之间的刺激-响应关系。
18.本发明的另一个优点是可以以更简单的方式、更容易地并且因此更低成本地执行测量。这是因为样品不是必需相对于显微镜相机或其他类型的跟踪设备进行精确定位。事实上，样品不需要特定的固定或准备；样品甚至可以如它们本来状态那样是自由浮动的。相比之下，在上文描述的基于图像的跟踪中，样品应该垂直于在显微镜相机的镜头中心与固定样品的支撑件之间延伸的虚拟线。实际上，这一要求也对测量设置提出了限制，也即，微管应相对于样品水平放置。这些限制可能使测量变得复杂，这可能相对耗时，从而不利地影响要执行的测量的吞吐量。
19.进一步有助于低成本和易用性的是本发明提供了可以由相对少量的数据表示的测量结果。测量结果可以是，例如，指定在各个时刻测量的各个光路长度的表格的形式。相对较小的数据文件可以包括这样的测量表。相比之下，上文描述的基于图像的跟踪需要存储和处理相对较大的图像文件。此外，如上所述的刺激-响应关系的实时监测需要能够足够快地处理这些图像文件的硬件和软件。
20.为了说明的目的，参考附图详细描述本发明的一些实施例。在本说明书中，将呈现附加特征，其中一些特征在从属权利要求中限定，并且优点将是显而易见的。
附图说明
21.图1是能够测量样品响应于压力变化的变形的光学测量系统的示意框图。
22.图2是光学测量系统中的微管的示意透视截面图。
23.图3是微管中的光学压力传感器的示意截面图。
24.图4是与微管尖端接触的样品的示意截面图。
25.图5是由光学测量系统中的光谱响应测量获得的傅里叶变换波长光谱图。
26.图6是微管中的相对压力与样品在微管中的抽吸部分的位移之间的测量的刺激-响应关系的合成图，其中两者都是相对于时间绘制的。
27.图7是微管中的相对压力与样品在微管中的抽吸部分的位移之间的测量的刺激-响应关系的简图，其中一者是相对于另一者绘制的。
28.图8是微管中的正弦变化压力与样品在微管中的抽吸部分的正弦变化位移之间的测量的刺激-响应关系的合成图，其中两者都是相对于时间绘制的。
29.图9是基于图8所示的测量的刺激-响应关系的、储能模量e’和损耗模量e”的测量的频率依赖性的图示。
具体实施方式
30.图1示意性地示出了一种光学测量系统100，该光学测量系统100能够测量样品101响应于压力变化的变形。图1提供了光学测量系统100与待分析样品101的示意框图。样品101可以是生物样品，例如，细胞样品，仿生样品或者合成样品。通过测量样品101响应于压力变化的变形，可以获得关于样品101的机械特性的信息。该信息可以涉及到，例如，样品101的弹性模量。
31.光学测量系统100包括光学询问器102、光学感测装置103和注射泵104。本实施例中，光学询问器102包括光源105、去偏振器106、循环器107和基于光谱仪的分析仪108。保偏光纤(polarization-maintaining optical fiber)109可以将光源105光学地耦合到去偏振器106。单模光纤110可以将去偏振器106耦合到循环器107。另一单模光纤111可以将基于光谱仪的分析仪108耦合到循环器107。
32.光源105可以是例如超发光二极管的形式。在实验性实施例中，超发光二极管具有1550nm的中心波长、50nm的半宽度带宽(full-width-at-half maximum bandwidth)，并且提供21mw的光功率。基于光谱仪的分析仪108可以包括光谱仪和如专利公开wo2017077138a1中描述的光谱分析布置，该专利公开也是本技术人的名义。在实验性实施例中，光谱仪具有1510至1595nm的波长和498pm的光学分辨率。
33.光学感测装置103可以是微管的形式，并且为了方便和说明的目的而在后文中被称为微管103。微管103具有带孔113的尖端112，孔113在下文中将被称为尖端孔113。待分析的样品101与尖端112接触，更精确地，与尖端孔113接触。微管103可以包括填充有流体的中空内部，流体例如是水。该中空内部可以延伸到尖端孔113。相应的，样品101可以接触到流体。
34.光纤114同心地布置在微管103中，并且延伸到微管103的尖端112中。光纤114的自由端115可以与尖端孔113对准。为此目的，微管103可以包括用于光纤114的支撑件，以防止光纤114的自由端115显著地弯曲。为了说明方便的目的，微管103中的光纤将在下文中被称为样品测量光纤114。样品测量光纤114可以是光纤116的延伸。光纤116至少部分地提供与循环器107的光学耦合。
35.微管103还包括光学压力传感器117。单独的光纤118将光学压力传感器117光学地耦合到循环器107。微管103流体地耦合到注射泵104。为了这个目的，具有相对小的直径的导管119可以从微管103延伸到注射泵104。
36.图2示意地示出微管103的实施例。图2提供了该实施例的示意透视截面图，为了简便的目的，将在下文中称为微管103。微管103包括样品测量光纤114和尖端112，样品测量光纤114具有自由端115，尖端112具有尖端孔113，如上文中参考图1提到的那样。出于简单和方便的目的，光学压力传感器117在图2中没有示出。
37.微管103还包括壳体201、金属包箍202、配套套管203、安装垫圈204、密封垫205、206和管道构件207。壳体201可以例如由树脂材料制成。金属包箍202和配套套管203可以例如由陶瓷材料制成。尖端112可以例如由玻璃制成。特别地，微管103的尖端112可以是玻璃抽吸毛细管。
38.壳体201具有相对小的中心开口和具有两个横向开口。样品测量光纤114通过壳体201的相对小的中心开口。样品测量光纤114可以通过例如中心开口处的胶而固定到壳体201上。位于壳体201的中心开口处外部的管道构件207对样品测量光纤114进行密封。管道构件207为样品测量光纤114提供应变消除，并且提供除了胶密封之外的密封。
39.壳体201具有中空内部，该中空内部的形状可将金属包箍202和配套套管203精确定位在壳体201内。样品测量光纤114同心地通过金属包箍202和配套套管203。金属包箍202构成用于样品测量光纤114的支撑件。配套套管203的一部分与金属包箍202的一部分重叠，如图2所示。另外，配套套管203的互补部分与微管103的尖端112的一部分重叠。微管103的尖端112与金属包箍202的倒角端相抵。安装垫圈204将尖端112固定到壳体201上。
40.微管103的尖端112可以具有比配套套管203的内径稍小的最大外径。例如，微管103的尖端112的最大外径可以是1.2mm，而配套套管203的内径可以是1.25mm。在这种情况下，配套套管203与尖端112之间存在着圆柱形间隙。这样，尖端112的由配套套管203密封的部分可以至少部分地被提供有桥接套管。该桥接套管对圆柱形间隙进行填充。该桥接套管可以包括弹性材料，例如硅酮。这有助于微管103中的样品测量光纤114与微管103的尖端112之间的令人满意的共中心性。
41.样品测量光纤114的端部208从金属包箍中探出来。端部208可以因此弯曲到一定的程度。这样的弯曲对同心性产生不利影响，并且会因此造成样品测量光纤114的自由端115相对于尖端孔113的不对准。图2中所示的微管103具有允许尖端112相对短的结构。样品测量光纤114的探出金属包箍202的端部208也可以因此相对短。这有助于样品测量光纤114的端部208与尖端孔113之间的令人满意的共中心性，并且抵消不对准。在实验性实施例中发现，光纤卷曲半径为4m时，弯曲变形小于8μm。
42.金属包箍202包括外表面上的纵向狭缝。简单起见，这些狭缝在图2中未示出。这些狭缝在微管103的尖端112与微管103的中空内部中两个横向开口所处的后部之间提供了充足的流体流通。例如，这些狭缝可以近似300μm深。这些狭缝例如可以通过金刚石线切割机来雕刻。
43.壳体201的横向开口可以容纳图1中所示的导管119，导管119将微管103流体地耦合到注射泵104。导管119可以由设置在该开口中的密封垫205固定。壳体201的另一个横向开口可以容纳图1中所示的光学压力传感器117。设置在该横向开口中的密封垫206可以充
当光学压力传感器117可以插入其中的套管。
44.样品测量光纤114的自由端115面向尖端孔113，并且可以包括光学透镜。光学透镜可由样品测量光纤114的自由端115处的渐变折射率(graduated refractive index)形成。光学透镜可以将从样品测量光纤114发射的光束聚焦在尖端孔113上，并进而聚焦在样品的位于尖端孔113内的部分上。光束可以具有这样的轮廓，也即该轮廓具有窄的部分(通常称为束腰)，该窄的部分靠近尖端孔113。这有助于使用图1中所示的光学询问器102实现令人满意的信噪比。在实践中，需要在实现直径相对较小的束腰与使束腰足够接近尖端孔113之间做出折衷。
45.样品测量光纤114可以是具有各种光纤段的组件，这些光纤段通过拼接相互连接。例如，在实验性实施例中，样品测量光纤114包括拼接在一起的三段光纤：后段光纤(离尖端孔113最远)、中段光纤和前段光纤(其包括朝向尖端孔113的自由端115)。后段光纤可以由9/125μm的单模光纤组成。该光纤可以从微管103中探出并且设置有允许将光纤耦合到图1所示的光学询问器102的连接器。也即，后段光纤可以是图1所示的光纤116的延伸，该光纤116可以将微管103光学地耦合到光学询问器102。中段光纤可以由300μm长的直径为125μm的无芯光纤形成。前段光纤可以由50/125μm、498μm长的grin多模光纤形成，其中grin是渐变折射率的缩写。如此形成的样品测量光纤114在水中500μm处提供了30μm的束腰。
46.前文中参考图2呈现的微管103具有各种有利的特性。首先，微管103允许微管103中的样品测量光纤114与尖端112之间足够好的同心性，这也可以充当通过样品测量光纤114进入微管103的光的波导。这允许将进入的光有效地传递给如图1所示的与尖端孔113接触的样品101。进入的光的有效传递有助于实现令人满意的信噪比，并因此有助于实现足够准确和精确的测量结果，其中测量结果可以通过将在下文描述的方式获得。此外，微管103具有足够的机械稳定性，能够获得一致的测量结果，从而允许例如各种样品的那些获得的测量结果的可靠比较。并且，微管103允许将流体压力从微管103的中空内部的后部(该后部流体地耦合到注射泵104)足够有效地传递到微管103的尖端112。
47.图3示意地示出光学压力传感器117的实施例。图3提供该实施例的非常示意的截面图，方便起见，这将在下文中称作光学压力传感器117。光学压力传感器117包括安装在光纤302的端部上的帽状元件301。帽状元件301可以是例如专利公开wo2020149739a1中描述的单片半导体器件，专利wo2020149739a1也是本技术人的名义。安装在帽状元件301上的光纤302可以是光纤118，该光纤118将光学压力传感器117光学地耦合到循环器107，如图1所示。
48.帽状元件301包括面向光纤302的端部304的反光膜303。在光纤302的端部304处存在着折射率不连续性。反光膜303与光纤302的端部304处的折射率不连续性联合限定了法布里-珀罗腔305。方便起见，该法布里-珀罗腔将在下文中被称为压力感测法布里-珀罗腔305。压力感测法布里-珀罗腔305具有光路长度“a”，该光路长度“a”随着微管103里的流体施加在反光膜303上的压力而改变，该反光膜303可以向里或者向外弯曲。该压力由图3中的附图标记“p”表示。光路长度“a”因此可以表示微管103中的流体压力。光路长度“a”的变化表示微管103中的流体的压力变化。
49.图4更详细地示意性示出与微管103的尖端112接触的样品101。图4提供了样品101与微管103的尖端112接触的非常示意的截面图。在这个示例中，样品101已经经受了变形，
也即，样品101的一部分已经通过尖端孔113被吸到微管103的尖端112中。方便起见，样品101的该部分将在下文中被称为抽吸部分。样品测量光纤114的自由端115同心地设置在微管103中，并且接近和朝向尖端孔113。因此，样品测量光纤114的自由端115也朝向样品101的抽吸部分。
50.如图4所示，当样品101与微管103的尖端112接触时，存在着若干折射率不连续性。样品测量光纤114的自由端115处存在着折射率不连续性。样品101的抽吸部分上的前表面401处也存在着折射率不连续性。样品101的后表面402处存在着另一折射率不连续性，该后表面402与样品401的抽吸部分上的前表面401相对立。
51.上述折射率不连续性限定了若干法布里-珀罗腔。样品101的抽吸部分上的前表面401处的折射率不连续性与样品101的后表面402处的折射率不连续性联合限定了法布里-珀罗腔403。方便起见，该法布里-珀罗腔将在下文中被称为交叉样品法布里-珀罗腔403。该交叉样品法布里-珀罗腔403具有光路长度“b”，光路长度“b”表示样品101的抽吸部分上的前表面401与样品101的后表面402之间的间隔。方便起见，该间隔将在下文中被称为交叉样品间隔。光路长度“b”对应于交叉样品间隔乘以样品101中的物质沿着抽吸部分上的前表面401与后表面402之间的路径的有效折射率。光路长度“b”的变化因此表示交叉样品间隔的变化。
52.样品测量光纤114的自由端115处的折射率不连续性与样品101的抽吸部分上的前表面401处的折射率不连续性联合限定了另一法布里-珀罗腔404。方便起见，该法布里-珀罗腔将在下文中被称为抽吸法布里-珀罗腔404。抽吸法布里-珀罗腔404具有光路长度“c”，该光路长度“c”表示样品测量光纤114的自由端115与样品101的抽吸部分上的前表面401之间的间隔。方便起见，该间隔将在下文中被称为抽吸间隔。光路长度“c”对应于抽吸间隔乘以尖端112中的流体的折射率。光路长度“c”的变化因此表示抽吸间隔的变化。
53.样品测量光纤114的自由端115处的折射率不连续性与样品101的后表面402处的折射率不连续性联合限定了又一法布里-珀罗腔405。方便起见，该法布里-珀罗腔将在下文中被称为样品后法布里-珀罗腔405。样品后法布里-珀罗腔405具有光路长度“d”，该光路长度“d”表示样品测量单光纤114的自由端115与样品101的后表面402之间的间隔。方便起见，该间隔将在下文中被称为样品后间隔。光路长度“d”对应于样品后间隔乘以样品101中的上文提到的物质和尖端112中的流体的有效折射率，其中这些物质存在于沿着样品101的后表面402与样品测量光纤114的自由端115之间的路径上。光路长度“d”的变化因此表示样品后间隔的变化。
54.需要注意的是，图4是没有按照比例绘制的非常示意的表示。上述光路长度“b”、“c”和“d”之间的比例不需要与图4所示一致。例如，交叉样品法布里-珀罗腔403的光路长度“b”可能长于抽吸法布里-珀罗腔404的光路长度“c”，尽管图4中表示的不是这样。
55.图1示出的光学测量系统100基本上如下进行操作。注射泵104使得微管103中的流体具有欠压力，也即比施加在样品101的主要部分上的压力低的压力，其中，该主要部分不在尖端孔113内并因此不与微管103中的流体相接触。因此，样品101的位于尖端孔113中并因此与流体接触的部分被吸到微管103的尖端112中，如图4所示的那样。方便起见，样品101的被吸到尖端112中的部分将在下文中被称为抽吸部分。该抽吸部分因此是样品101的响应于欠压力的变形。
56.另外，注射泵104可以引起欠压力发生变化，该欠压力是微管103中的流体的压力。这些压力变化可以具有振荡特性。样品101的抽吸部分经受该压力变化。作为响应，这会造成样品101的变形变化，也即，抽吸部分的长度发生变化。结果，上述提到的抽吸间隔以及因此光路长度“c”会随着该压力变化而变化。同样的情况可以适用于上述提到的交叉样品间隔和样品后间隔，以及因此分别适用于光路长度“b”和“c”。
57.光学询问器102测量上述提到的光路长度“a”、“b”、“c”和“d”，以及其中的变化。图3所示的压力感测法布里-珀罗腔305中的光路长度“a”表示欠压力和其中的变化。图4中示出的交叉样品法布里-珀罗腔403的光路长度“b”、抽吸法布里-珀罗腔404的光路长度“c”和样品后法布里-珀罗腔405的光路长度“d”表示样品101响应于欠压力而经受的变形以及其中的变化。
58.为了测量上述光路长度“a”、“b”、“c”和“d”以及其中的变化，光学询问器102可以以与前文提到的专利公开wo2017077138a1中描述的方式类似的方式进行操作。该操作将在下文中在图1所示的光学测量系统100的上下文中概括描述。
59.光学询问器102将光入射到样品测量光纤114并且入射到光学压力传感器117中，其中样品测量光纤114和光学压力传感器117两者都包括在微管103中。光可以具有1550nm的中心波长，并且具有相对宽的带宽，其带宽的半宽度带宽为50nm，如前文中提到的那样。更大部分的光可以入射到样品测量光纤114中，而小部分的光可以入射到光学压力传感器117中。在图1中，这分别通过90％和10％的百分比来表示，这两个百分比仅用于说明的目的，不同的百分比也可能是适用的。
60.作为响应，光学询问器102接收来自微管103的反射光。该反射光是来自样品测量光纤114的反射光和来自光学压力传感器117的反射光的组合。循环器107将反射光引导到基于光谱仪的分析仪108。基于光谱仪的分析仪测量感兴趣的波段中反射光的波长光谱。感兴趣的波段可以以上述提到的1550nm的中心波长为中心，并且具有与上述提到的50nm的半宽度带宽类似的宽度。
61.反射光的波长光谱揭露了组合的光谱响应，该组合的光谱响应是微管103中的各个法布里-珀罗腔的相应光谱响应的组合。这些相应的法布里-珀罗腔包括图3中所示的压力感测法布里-珀罗腔305、图4中所示的交叉样品法布里-珀罗腔403、抽吸法布里-珀罗腔404和样品后法布里-珀罗腔405。具有光路长度的法布里-珀罗腔的光谱响应通常是振幅与波长的正弦曲线。该正弦曲线具有由法布里-珀罗腔的光路长度确定的周期性。
62.基于光谱仪的分析仪108将傅里叶变换应用到已测得的波长光谱。该傅里叶变换因此提供了傅里叶变换的波长光谱。傅里叶变换可以是复杂的，以提供傅里叶变换的波长光谱的幅度表示以及傅里叶变换的波长光谱的相位表示。在这些表示的每个表示中，周期性与光路长度线性相关。因此，周期性和光路长度在傅里叶变换的波长光谱中是可以互换的。
63.图5示出了傅里叶变换的波长光谱500的幅度表示，该幅度表示可以由前文提到的光谱响应测量获得。图5是具有横轴和纵轴的图形，其中横轴表示以微米(μm)为单位的光路长度，纵轴表示幅度(v)。该图中的曲线表示傅里叶变换的波长光谱500的幅度表示。傅里叶变换的波长光谱500包括4个峰值，其中，第一峰值501在横轴上接近100μm处，第二峰值502在接近250μm处，第三峰值503在接近1550μm处，第四峰值504在接近1800μm处。
64.第一峰值501与压力感测法布里-珀罗腔305相关，该法布里-珀罗腔的光路长度“a”标称接近100μm。第二峰值502与交叉样品法布里-珀罗腔403相关，该法布里-珀罗腔的光路长度“b”标称接近250μm。第三峰值503与抽吸法布里-珀罗腔404相关，该法布里-珀罗腔的光路长度“c”标称接近1550μm。第四峰值504与样品后法布里-珀罗腔405相关，该法布里-珀罗腔的光路长度“d”标称接近1800μm。对这些峰值中的每个峰值而言，都可以认为，峰值在横轴上的位置表示与该峰值相关的法布里-珀罗腔的测量到的光路长度。
65.光学询问器102可以在连续时间间隔内重复执行光谱响应测量，其中每个光谱响应测量如前所述那样执行。相应地，基于光谱仪的分析仪108则测量这些连续时间间隔中的连续波长光谱。如前解释的那样，波长光谱包括法布里-珀罗腔的光谱响应，该法布里-珀罗腔具有光路长度。法布里-珀罗腔的光谱响应表现为波长光谱的周期性，而该周期性取决于光路长度。基于光谱仪的分析仪108可以检测已在其中进行了光谱响应测量的连续时间间隔上的周期性的变化。光学询问器102然后可以根据所述周期性的变化得出光路长度的变化。
66.对光路长度变化的高分辨率测量能够通过检测已测得的连续波长光谱内的周期性的相位演变来实现。该技术在上文提到的专利公开wo2017077138a1中描述。在图1中示出的光学测量系统100中，基于光谱仪的分析仪108可以使用已测得的连续傅里叶变换的波长光谱的连续相位表示。基于光谱仪的分析仪108可以从每个连续相位表示中、与傅里叶变换的波长光谱的幅度表示中出现峰值的位置相对应的位置处提取局部相位数据。因此，可以获取相关峰值的一系列局部相位日期，这些局部相位日期在时间上与已在其中执行连续光谱响应测量的连续时间间隔相关。这一系列局部相位日期以相对较高的精度表示了周期性的相位演变，该相位演变继而以相对较高的精度表示了光路长度变化。
67.相应地，光学询问器102可以以相对较大的精度测量图3所示的压力感测法布里-珀罗腔305的光路长度“a”的变化、以及图4所示的抽吸法布里-珀罗腔404的光路长度“c”的变化。由此测得的光路长度“a”的变化以相对较高的精度表示压力变化。由此测得的光路长度“c”的变化以相对较高的精度表示抽吸间隔的变化，并进而以相对较高的精度表示样品101的变形。而且，光学询问器102以本质上同步的方式检测这些变化。这允许以相对较高的精度测量构成了刺激的压力变化与构成了响应的抽吸间隔变化之间的刺激-响应关系。
68.光学询问器102可以进一步测量图4所示的交叉样品法布里-珀罗腔403的光路长度“b”的变化以及样品后法布里-珀罗腔405的光路长度“d”的变化。上述说明同样适用于这些测得的变化，这些测得的变化可以进一步表征样品变形。
69.如图5所示，分别与光路长度“c”和“d”相关的第三峰值503和第四峰值504与第一峰值501和第二峰值502相比幅度较小，不太明显。这分别与相关腔的反射光的低信噪比有关，相关腔包括图4所示的抽吸法布里-珀罗腔404和样品后法布里-珀罗腔405。信噪比取决于样品101的光学和几何特性，以及取决于从微管103中的样品测量光纤114发射的光束的轮廓。
70.图6示出微管103中的相对压力与微管103中的样品101的抽吸部分的位移之间的测得的刺激-响应关系600。图6是合成图，该合成图具有以秒(s)为单位表示时间的横轴。右手侧纵轴表示以检测信号电平为单位的相对压力。左手侧纵轴表示以纳米(nm)为单位的位移。
71.图6包括两条曲线601、602。第一条曲线601表示微管103中的相对压力的测量，其由于注射泵104施加的压力变化而随着时间变化。这就是刺激。第二条曲线602表示微管103中样品101的抽吸部分的位移的测量。微管103中样品101的抽吸部分的位移随着微管103中的相对压力的变化而变化。这就是响应。相对压力和位移在本质上是同时测量的。相对压力根据压力感测法布里-珀罗腔305的被测量的光路长度“a”的测得的变化得到。位移根据抽吸法布里-珀罗腔404的光路长度“c”的测得的变化和尖端112中的流体的折射率得到。
72.图7以不同的方式示出了同一刺激-响应关系600。图7是具有横轴的图，该横轴表示以纳米[nm]为单位的位移。纵轴表示以帕斯卡[pa]为单位表示的相对压力δp。图7包括实线曲线701，该实线曲线701表示刺激-响应关系600，图6中也表示了刺激-响应关系600，但是图7与图6中的刺激-响应关系不同。图7还包括直虚线曲线702，该直虚线曲线702表示用于确定弹性模量e的所谓的zhou模型的线性化版本。弹性模量e可根据以下等式确定：
[0073][0074]
其中，δp代表压差(differential pressure)，l
p
为微管103中样品101的抽吸部分的位移，r
p
代表尖端孔113的半径，rc代表样品101的半径，β1＝2.0142，并且β3＝2.1197。
[0075]
上文参考图1-7描述的光学测量系统100允许研究频率相关的样品粘弹性。为此，注射泵104可以在微管103中施加不同频率的正弦压力变化作为刺激。响应于正弦变化的压力，样品101将表现出正弦变化的变形，例如微管103中样品101的抽吸部分的正弦变化的位移。由于样品101的粘性特性，正弦变化的位移将与正弦变化的压力异相。这两者之间会有相位滞后，这可能与频率有关。
[0076]
图8示出了微管103中以0.75hz的频率正弦变化的压力与微管103中样品101的抽吸部分的正弦变化的位移之间的测得的刺激-响应关系800。图8是具有横轴的合成图，横轴表示以秒[s]为单位的时间。左手侧纵轴表示以帕斯卡[pa]为单位的相对压力δp。左手侧纵轴表示以纳米[nm]为单位的位移l
p
。
[0077]
图9包括两条正弦曲线，也即，上正弦曲线801和下正弦曲线802。上正弦曲线801表示微管103中正弦变化压力的测量结果。下正弦曲线802表示微管103中样品101的抽吸部分的正弦变化位移的测量结果。图8指示这两条曲线801、802之间的相位滞后803。对于上述的0.75hz的频率，由此测得的相位滞后是803。由于如上所述的频率相关的样品粘弹性，可以针对不同的频率测得不同的相位滞后。
[0078]
测得的相位滞后803允许确定储能模量e
′
和损耗模量e”，它们是样品101的粘弹性特性。储能模量e
′
可以基于以下等式来确定：
[0079][0080]
其中，δ代表上文讨论并在图8中示出的相位滞后803，po代表微管103的尖端112中的流体的平均压力，并且lo代表微管103中样品101的抽吸部分的平均长度，其他系数如上文有关弹性模量的方程所定义。
[0081]
损耗模量e”可根据以下等式确定：
[0082][0083]
图9示出了基于如图8所示的测得的刺激-响应关系的、储能模量e’和损耗模量e”的测得的频率依赖性900。图9是具有横轴的图，横轴表示以赫兹[hz]为单位的频率。纵轴表示以千帕[kpa]为单位的压力。图9包括两条正弦曲线，也即，上曲线901和下曲线902。上曲线901表示储能模块e’，其依赖于频率。下曲线902代表损耗模量e”，其也依赖于频率。上述曲线901、902是基于在不同频率下测量的不同相位滞后而获得的，其中，在这些不同频率下将正弦变化的压力变化施加到微管103的尖端112中的流体上。这些不同频率包括0.05hz、0.1hz、0.35hz、0.75hz和1hz，如图9所示。
[0084]
图8所示的测得的刺激-响应关系800和图9所示的储能模量e’和损耗模量e”的测得的频率依赖性900是用牛卵母细胞的样品101获得的，以评估透明带在37.0℃的固定温度下的依赖于频率的流变特性。将1500pa的预加载吸入压力施加到微管103。延迟10秒后，分别以上述频率0.05hz、0.1hz、0.35hz、0.75hz和1hz进行一系列5种不同的正弦压力变化。每个正弦压力变化包括5个60pa振幅的振荡周期。在两个连续正弦压力之间提供2秒的延迟。由此测得的储能模量e’和损耗模量e”如图9所示，它们显示出幂律流变行为，与在若干其他生物系统中观察到的结果一致。
[0085]
请注意：
[0086]
上文参考附图描述的实施例是通过示例的方式呈现的。本发明可以以多种不同的方式实现。为了说明这一点，简要指出了一些替代方案。
[0087]
本发明可以应用于与光学地测量样品响应于环境条件变化的变形相关的多种类型的产品或方法。在上文提出的实施例中，样品响应于压力变化而变形。在其他实施例中，除了压力之外的环境条件也可以改变并引起变形，例如温度或辐射，包括光以及其他环境条件。
[0088]
存在多种不同的方式来实现用于容纳样品和用于将样品可拆卸地保持在根据本发明的光学感测装置中的支撑件。在上文提出的实施例中，支撑件是微管尖端的形式。在其他实施例中，支撑件可以具有不同的形式，例如，具有开口的微流体通道或微机电系统(micro electro-mechanical system，mems)装置的形式。
[0089]
而且，根据本发明的光学地测量样品对环境条件变化的响应的方法不需要使用具有微管形式的支撑件的光学感测装置。样品可以是自由浮动的或者可以由与用于光学地测量样品对环境条件变化的响应的光波导分离的元件来保持。存在允许放置样品的多种装置，使得样品表面处的折射率不连续性面向光波导的端部，由此光波导的端部与该折射率不连续性形成光学干涉腔。
[0090]
例如，可以通过光学光刻来制造功能上等同于微管的微型装置。这种微型装置可能比微管更适合测量相对较小的样品。例如，相对较小的样品可能需要具有仅几微米的尖端孔并因此相对较窄的尖端的微管。在这种情况下，相对较窄的尖端可能使得装配在其中的光纤的端部距离样品相对较远。这种相对较大的距离可能使获得令人满意的信噪比以及因此获得令人满意的准确度和精密度变得复杂，或者甚至可能使得这变得不可能。上述的微型装置可以为这个问题提供解决方案。
[0091]
存在多种不同方式来在根据本发明的光学感测装置中实现光学干涉腔。在上文提出的实施例中，光学干涉腔是法布里-珀罗腔。在其他实施例中，光学干涉腔可以是例如迈克尔逊腔。
[0092]
存在多种不同方式来在根据本发明的光学感测装置中实现光波导。在上文提出的实施例中，光波导是光纤。在其他实施例中，光波导可以被包括在集成光子系统中。
[0093]
存在多种不同的方式来实现根据本发明的光学测量系统。在上文提出的实施例中，为了简单起见，仅描述了包括单个光学感测装置的光学测量系统，该光学感测装置是微管的形式。在其他实施例中，光学测量系统可以包括多个光学感测装置，这多个光学感测装置共同耦合到光学询问器。在这样的实施例中，用相应样品形成的相应光学干涉腔可以具有足够不同的相应标称光路长度，以便允许在光学询问器中区分它们。专利公开wo2017077138a1描述了这样的多路光学询问技术。这允许进行更复杂的实验，例如细胞间粘附研究。
[0094]
存在许多不同的方式来在根据本发明的光学测量系统中测量光学干涉腔的光谱响应。在上文提出的实施例中，询问器包括相对宽带的光源和基于光谱仪的分析仪。在其他实施例中，询问器可以包括相对窄带的可调谐光源，其被制成扫过感兴趣的波带。此外，可以使用与专利公开wo2017077138a1中描述的技术不同的技术来分析光谱响应，尽管该专利公开中描述的技术在测量光路长度的变化方面允许相对高的准确度和精度。
[0095]
上述说明表明参考附图描述的实施例说明了本发明，而不是限制本发明。本发明可以以在所附权利要求书的范围内的多种替代方式来实现。落入权利要求书的等同含义和范围内的所有改变均被包含在其范围内。权利要求书中的任何附图标记不应被解释为限制权利要求。权利要求书中的动词“包括”不排除权利要求书中列出的那些元件或步骤之外的其他元件或其他步骤的存在。这同样适用于类似的动词，例如“含有”和“包含”。在涉及产品的权利要求中以单数提及的元件并不排除该产品可以包括多个这样的元件。同样，在涉及方法的权利要求中以单数形式提及的步骤并不排除该方法可以包括多个这样的步骤。各个从属权利要求限定各个附加特征的事实并不排除除权利要求中反映的那些特征之外的附加特征的组合。

技术特征：
1.一种光学感测装置(103)，包括：具有孔(113)的支撑件(112)，所述光学感测装置适于将样品(101)可拆卸地保持在所述孔周围的所述支撑件上，使得所述样品的一部分响应于环境条件变化而通过所述孔自由变形；以及光波导(114)，所述光波导(114)相对于所述支撑件固定地布置，其中所述光波导的端部(115)面向所述孔，使得所述端部适于与所述样品的通过所述孔自由变形的所述部分的表面(401)处的折射率不连续性形成光学干涉腔(404)。2.根据权利要求1所述的光学感测装置，其中所述光波导(114)的所述端部(115)包括光学透镜。3.根据权利要求2所述的光学感测装置，其中所述光学透镜由所述光波导(115)的所述端部(115)处的渐变折射率形成。4.根据权利要求1至3中任一项所述的光学感测装置，其中所述光波导(114)的至少是包括所述端部(115)的部分被同心地设置在所述支撑件(112)中。5.根据权利要求4所述的光学感测装置，其中所述支撑件(112)形成光学地耦合到所述光学干涉腔(404)的附加光波导。6.根据权利要求1至5中任一项所述的光学感测装置，其中所述光学感测装置适于将压力变化传递到所述支撑件(112)中的所述孔(113)。7.根据权利要求6所述的光学感测装置，包括光学压力传感器(117)，适于感测传递到所述支撑件(112)中的所述孔(113)的压力变化。8.根据权利要求1至7中任一项所述的光学感测装置，所述光学感测装置(103)是微管的形式。9.根据权利要求1至8中任一项所述的光学感测装置，其中所述光波导(114)包括光纤。10.一种光学测量系统(100)，包括：根据权利要求1至9中任一项所述的光学感测装置(103)；以及光学询问器(102)，适于测量所述光学感测装置中的所述光学干涉腔(404)的光谱响应，以检测已测得的光谱响应中的周期性并根据已在所述光谱响应中检测到的所述周期性来得出所述光学干涉腔中的光路长度(“c”)。11.根据权利要求10所述的光学测量系统，其中所述光学询问器(102)适于测量所述光学干涉腔(404)在连续时间间隔中的连续光谱响应，以检测整个所述连续光谱响应中所述周期性的相位演变，所述相位演变代表所述光路长度(“c”)的变化。12.根据权利要求10和11中任一项所述的光学测量系统，进一步包括：致动器(104)，用于引起所述样品所处环境条件的变化。13.根据权利要求12所述的光学测量系统，其中所述致动器(104)适于引起施加在所述样品(101)的通过所述孔(113)自由变形的所述部分上的压力变化。14.一种光学地测量样品(101)对所述样品(101)暴露于其中的环境条件变化的响应的方法，该方法包括：使用根据权利要求1至9中任一项所述的光学感测装置(103)来在所述光波导(114)的所述端部(115)与所述样品的通过所述孔(113)自由伸出的部分的表面(401)处的折射率不连续性之间形成光学干涉腔(404)，所述光学干涉腔具有光路长度(“c”)；以及
测量所述光学干涉腔的所述光路长度的变化。15.根据权利要求14所述的光学地测量样品(101)的响应的方法，所述方法包括：测量连续时间间隔内所述光学干涉腔(404)的连续光谱响应；识别已获得的连续光谱响应中的至少一个连续光谱响应中的周期性；检测已识别的周期性的变化，所述变化发生在整个所述连续光谱响应中；以及根据已检测到的周期性的变化获得所述光学干涉腔的所述光路长度(“c”)的变化。16.根据权利要求15所述的光学地测量样品的响应的方法，所述方法包括：检测整个所述连续光谱响应中所述周期性的相位演变，所述相位演变表示所述光学干涉腔(404)的所述光路长度(“c”)的变化。

技术总结
一种光学感测装置(103)，包括：具有孔(113)的支撑件(112)。光学感测装置(103)可以将样品(101)可拆卸地保持在孔(113)周围的支撑件(112)上。因此，样品(101)的一部分响应于环境条件变化而通过孔(113)自由变形。光波导(114)相对于支撑件(112)固定地布置，其中光波导(114)的端部(115)面向孔(113)。光波导(114)的端部(115)与样品(101)的通过孔(113)自由变形的部分的表面(401)处的折射率不连续性形成光学干涉腔(404)。光学干涉腔(404)。光学干涉腔(404)。


技术研发人员：N
受保护的技术使用者：光学11有限公司
技术研发日：2022.02.21
技术公布日：2023/10/7