用于例如微传感器的光学微阵列

摘要

一种与化学传感器结合使用的光学微阵列，包括聚合物本体(1)，该聚合物本体包括一个或多个透明的第一区域(2)，该透明区域(2)被一个或多个不透明的第二区域(3)分割；其中该微阵列由单体组成；该透明区域由非结晶聚合物形成，而该不透明区域由结晶聚合物形成。当该半成品本体是完全透明时，将第二区域中的聚合物加热至聚合物的熔化温度之上，随后慢慢地冷却，以便实现第二区域中的聚合物的实质上的结晶。当该半成品本体是完全不透明的时，将所述第一区域中的聚合物加热至聚合物的熔化温度之上，随后快速冷却，以便防止第一区域中的聚合物的实质上的结晶。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学微阵列的制造，该光学微阵列包括一种用于例如微传感器的、高品质的聚合物(塑料)窗口阵列。

背景技术

在临床微生物分析、环境、健康与安全、食品/饮料以及化学处理应用中，用于例如多分析物传感器的聚合物光学微阵列必须是高度透明的，并且光学分析信号的相互串扰最小。传统的试图生产单件窗口阵列的聚合物处理技术直到现在也未成功，这是由于其不能产生足够高透明度的窗口(低光学信号衰减)和/或这些窗口之间足够低的信号串扰水平。

使用两种材料即用于传送光信号的光学透明微结构以及用于机械支承件和光信号隔离(防止串扰)的光学不透明框架材料产生与这种阵列的制造特别是装配有关的问题。在框架内光学微结构(透镜、窗口)的定位和固定对过程和材料具有较高的要求(位置精度、光学结构的破坏、收缩差异)，同时需要特别关注微结构和框架的相互结合。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于制造聚合物本体的方法，该聚合物本体包括一个或多个透明的第一区域，以及一个或多个不透明的第二区域。

根据本发明的一个方面，提供一种与化学传感器结合使用的光学微阵列，包括聚合物本体，该聚合物本体包括一个或多个透明的第一区域，该透明区域被不透明的第二区域分割；其中该微阵列由单体组成；该透明区域由非结晶聚合物形成，而该不透明区域由结晶聚合物形成。

可以在这样的理解即聚合物的形态可以包括非晶形的(非结晶的、透明的)区域和/或结晶(不透明)区域的基础上，制造微阵列。通过聚合物的热过程特别是通过冷却速度确定所谓的半结晶聚合物的结晶度。通常可以说，快速冷却将抑制晶体的形成，从而造成多个非晶形聚合物，而慢慢冷却则会导致晶体的形成和生长。

根据另一个方面，根据本发明的方法包括下面的步骤：

a.通过应用本身已知的任何方法生产半成品本体，该半成品本体包括所述第一和第二区域，然而所述第一和第二区域在该半成品阶段中或者两者都是透明的或者两者都是不透明的；

b.当该半成品本体的第一和第二区域是透明的时，将所述第二区域中的聚合物加热至聚合物熔化温度之上，随后慢慢地冷却，以便实现该第二区域中的聚合物的实质上的结晶；

c.当该半成品本体的第一和第二区域是不透明的时，将所述第一区域中的聚合物加热至聚合物熔化温度之上，随后快速地冷却，以便防止该第一区域中的聚合物的实质上的结晶；

d.在进一步附加步骤中，该透明区域可提供有光学活性的材料；以便在暴露于待测试的化学物质之前、期间或之后光学读出；从而该聚合物窗口可以在(微)传感器中用于测试目的。优选地，该传感器为多个分析物类型。

优选从完全不透明的半成品本体开始(选择c)，因为冷却时间必须足够短，以便防止第一区域中的聚合物的实质上的结晶，因此，该冷却时间将比从完全透明的半成品本体开始(选择b)的时间更短，其中冷却时间相当长，即对第二区域中的结晶过程来说足够长，以便在那里实现不透明形态。

另一方面，优选从完全透明的半成品本体开始(选择b)，因为最初可以将焦点放在半成品本体开始材料的光学透明度上，因而忽略在最终制造阶段中解决的可能的信号串扰问题，即通过(再)加热和结晶第二区域，从而用作串扰防止挡板。

通过例如已知的过程像注射成型，例如借助压花或通过卷绕(roll-to-roll)过程等温压薄片或膜等制造半成品聚合物本体。当从完全透明的半成品本体开始时，在第二生产步骤中，例如在光学透明的(微)窗口周围实现光学不透明的、抗串扰的挡板。当从完全不透明的半成品本体开始时，在第二生产步骤中，可以在不透明环境内制造例如光学透明的(微)窗口。在任一情况下，局部地熔融半成品本体的聚合物，并且然后以可控的方式冷却，或者快速地，以防止(再)结晶，或者慢慢地，以实现有意的(再)结晶。

可以在用于制造半成品本体的模具的内部或外部执行半成品本体的局部加热。可以应用电、流体、激光加热，微波以及超声加热，以便将非晶形的聚合物结构变成半结晶或相反。在没有对聚合物加添加物的情况下，可以使用C0₂激光器，或者通过添加NIR吸收添加物使用二极管激光器。

将聚合物变成主要是非晶形的冷却速度为每秒钟几十摄氏度的数级。然而，当冷却速度约为每秒钟百分之几摄氏度时，达到实质上的结晶状态。

附图说明

图1a和1b表示半成品本体的两个示范性实施方式，其用作在随后的步骤中制造的用于微窗口阵列的初始结构。

图2表示根据上述方法制造的聚合物本体的例子，其从如图1a所示的完全透明的半成品本体开始。

图3表示根据上述方法制造的聚合体的例子，其从如图1b所示的完全不透明的半成品本体开始。

图4示意性地表示包括根据本发明一个方面的光学微阵列的化学传感器。

具体实施方式

图1a表示在半成品形式中(例如通过注射成型制造)，完全透明(着黑色)的聚合体1，其包括几个第一区域2和几个第二区域3。第一区域2和第二区域3两者都是透明的，如同完整本体1。

图1b表示在半成品形式中(例如通过注射成型制造)，完全不透明(着白色)的聚合物本体1，其包括几个第一区域2和几个第二区域3。第一区域2和第二区域3两者都是不透明的，如同完整本体1。

区域2的典型尺寸是2 x 2mm，因此例如在典型地30 x 30mm的本体1上，矩阵区域可以有约100个透明区域2。优选地，在本体1的这些透明区域2上，例如，通过分配技术如基于粘合剂应用或油墨印刷技术使用化学选择涂层。这种涂层可以与气态或液态介质中要分析的物质反应，改变窗口阵列的透明区域的透射性质(波长、吸收)，从而能够检测该物质。例如，对于检测二氧化碳、氨、甲醇、乙醇、燃料等级以及其它气态和液态物质来说，可以选择性地应用涂层。

因此，如进一步参照图4阐明的，光学微阵列可以形成光学微传感器系统的一部分。图2和3两者表示相同聚合物本体1的顶视图和截面图，其中第一区域2是透明的，而第二区域3是不透明的。区域2可以用作透明的(微)窗口或光闸，而区域3用作不透明挡板，围绕窗口区域1，因而阻止了单独窗口2之间的光学串扰。聚合物本体1由图1a所示的完全透明的半成品本体1或者图1b所示的完全不透明的半成品本体1制成。

当处于其半成品形式的本体1(包括区域2和3)是完全透明的(参见图1a)时，为了得到其所需的最终形式，如图2所示，将区域3中(即围绕每个单独的窗口区域2的肋部中)的聚合物材料局部地(再)加热至聚合物的熔化温度之上，随后足够慢地—每秒钟百分之几摄氏度的数级—冷却，以便实现(仅)区域3中的熔融聚合物由于长冷却时间而结晶，从而导致肋3的不透明(图中的白色)，同时不重新加热本体的剩余部分包括窗口2，从而保持该半成品的原始透明度(图中的黑色)。

当处于其半成品形式的本体1(包括区域2和3)是完全不透明的(参见图1b)时，为了得到其所需的最终形式，如图3所示，将区域2中的聚合物局部地(再)加热至聚合物的熔化温度之上，随后足够快地—每秒钟几十摄氏度的数级—冷却，以便防止(仅)区域2中的熔融聚合物(再)结晶，即由于缺少结晶时间造成的，从而导致窗口2的透明度(图中的黑色)，同时本体的剩余部分包括肋3不重新加热，从而保持本体1的半成品形式的原始不透明度(图中的白色)。

当半成品本体仍然保持在模中时，或者在从注模取出半成品本体之后半成品本体在另外的设备中时，例如可以通过激光加热分别加热区域2或3。

应当注意到，在两种情况下-即或者从透明或者从不透明半成品本体1开始的情况下-处于半成品形式的聚合物本体1可以由(预制造的)箔制成或甚至是(预制造的)箔的一部分-例如储存在卷筒上-而不是通过注射成形制成。当由箔制成时，区域3(在图中稍微突出)优选最小地突出或者完全不突出。

在处于半成品形式的聚合物本体1由例如在存储线圈缠绕的预制造的箔制成或者是预制造的箔的一部分的情况下，借助一些形式的“压花”或“卷绕”处理都可以执行这两种过程步骤。在这种(更连续的)处理环境中，可以以(半)连续过程的形式分别执行区域2或3的加热，例如，在半成品(箔)本体的卸载期间，(半)连续箔流的一部分或者从其存储线圈(卷轴)流到另外的存储线圈或者流到另外的处理或存储模块。

图4示意性地表示包括根据本发明一个方面的光学微阵列1的光学微传感器系统4。这种系统4包括例如排列在微阵列一侧上的光源5，例如是底部发光二极管阵列，特别是聚合物发光二极管。发光二极管可以是相同的，或者可以发射特定的、不同波长的光。在透射模式下，在微阵列1的另一侧上，可以提供光电二极管9(优选：聚合物光电二极管)的顶部阵列6。因此，从底部阵列5发射的光被透射到提供有光化学活性材料7的微阵列1上，光化学活性材料7可以与流动物8的一个或多个有关的化学物质反应。可以在阵列的局部或整个阵列上提供流动物8。此外，可以随后或同时将多个物质提供到微阵列1。流动物8可以是气态或液态的，并且改变微阵列1的透明区域2的透射性质(波长、吸收)，从而能够检测该物质。将底部阵列5和顶部阵列6连接到处理单元10，其包括模拟/数字转换电路，以及用于驱动光源5和/或光电二极管9的阵列的处理器。

在本申请的上下文中，如果区域2适于引导光，则认为其是透明的，特别地，如果至少特定波长的通过1mm区域的光的透光度为至少80％、优选至少90％，更优选95-100％，则认为其是透明的。

如果区域3适于用作挡光板，特别地，如果特定波长的通过1mm区域的光的透光度为至多20％，优选至多10％，更优选0-5％，则认为其是不透明的。这种不透明的区域适于用作挡光板。

原则上，光波长可以是紫外线、可见光或红外线谱中的任何波长，特别是从190至1500nm的任何波长。优选地，在至少50nm，优选至少100nm的波长范围上，该区域是透明兼(respectively)不透明的。通常，该波长范围不超过250nm。优选地，该透明区域对400至800nm之间的波长的光是透明的，不透明区域对该范围内的光是不透明的。

光学微阵列可以由任何半结晶热塑性聚合物组成，该聚合物包括共聚物和掺合物。特别地，这种聚合物包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethyleneterephthalates)、聚酰胺、聚甲基戊烯、聚丙烯以及聚萘二甲酸乙二醇酯(polyethylenenaphthalates)。

虽然已经参照示范性实施方式解释了本发明，但是其不限于此。例如，可替换地，例如通过在阵列1中集成反射表面，或者将阵列放置在传感器系统中提供的反射表面(未示出)上，以反射模式提供光学微阵列。本发明的范围由所附的权利要求限定。