CN102183462B - 嵌入式光纤拉锥微纳光纤微流控芯片传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种嵌入式光纤拉锥微纳光纤微流控芯片传感器及其制备方法。微流控芯片设有光纤通道、进样通道、出样通道和密封胶通道。采用热拉伸法制作光纤拉锥，使其拉伸部分为微纳光纤，将光纤拉锥嵌入微流控芯片的光纤通道，后用另一基片与此微流控基片键合，形成具有密闭微通道的微纳光纤传感器。光纤通道上设有进样口、出样口和密封胶入口。微流控芯片键合后，从密封胶通道向光纤通道注入低折射率密封胶，使光纤拉锥的未拉伸部分包埋于芯片中，避免液体泄漏和残留。光纤拉锥的拉伸部分与光纤通道的内壁存在间隙。因微纳光纤与样品的作用距离长达厘米量级，且对样品的需求量为微升至纳升级量级。本发明能实现超高灵敏度和低样品消耗的生化传感。
Description
技术领域
本发明涉及基于微纳光纤和微流控芯片的传感器，特别是涉及基于光纤拉锥微纳光纤外围倏逝场的超高灵敏度、微量液体生化传感器及其制备方法。
背景技术
自从2003年童利民等首次演示了亚波长直径微纳光纤的低损耗导光特性以来，微纳光纤传感技术吸引了众多研究工作者的广泛兴趣。当光沿着亚波长直径微纳光纤传播时，相当一部分能量以倏逝场的形式存在于光纤外部，这部分能量对于外界环境的变化非常敏感。因此，基于微纳光纤外围倏逝场传感的研究备受关注。由于微纳光纤的尺寸微小，如何为其精确可控地提供微量液体样品，成为制约微纳光纤传感发展的瓶颈技术之一。
微流控芯片是20世纪90年代兴起的一个交叉学科，在生命科学、化学、光学等领域具有广阔应用前景，是当今科学研究热点领域之一。微流控芯片通道尺度通常在数十至数百微米量级，通道具有网络结构，通过外接或集成泵阀能够实现对通道内微升至皮升级液体流动的精确控制。整块微流控芯片的大小通常仅有几个平方厘米，而且能够实现从样品处理到信号检测的全过程，因此又被称为芯片实验室（Lab-on-a-chip）。由此可见，微流控芯片能够满足精确可控为微纳光纤提供微量样品的需求。
目前，微纳光纤传感以检测气体样品和大体积的液体样品为主，例如将微纳光纤置于气室或通道宽度为毫米量级的液槽中进行检测，所需样品通常在毫升量级，这显然没有体现出微纳光纤低样品需要的优势。在生命科学领域的样品检测中，通常只能提供微升级的低浓度样品，液槽这种送样方式显然不能满足实际样品检测的需要。此外，生化传感领域对传感器灵敏度和集成度的要求越来越高，正朝着单分子级灵敏度和芯片集成式的方向发展。
光纤拉锥两端的未拉伸部分为标准光纤易与外部光源和检测器集成，腰部为拉伸部分（即微纳光纤），由于其腰部直径接近甚至小于其传导光的波长，相当一部分能量以倏逝场的形式存在于光纤外部，这部分能量对于外界环境的变化非常敏感，使其成为一种常用的微纳光纤传感元件。将其置于气室内进行气体分子检测，或将其浸入毫升量级的液槽或烧杯中进行液体生化样品传感的工作已有报到。显然上述方式不能满足大多数生化传感微升甚至纳升级样品用量的需要。
光纤拉锥通常采用化学腐蚀法或加热拉伸法制备。化学腐蚀法制备的光纤拉锥腰部通常在数十微米，其外围倏逝场的能量比例相对较小，难以实现高灵敏度检测。加热拉伸法制备的光纤拉锥腰部直径可以达到数百纳米，可以充分体现微纳光纤高灵敏度的特点。但是，当光纤拉锥腰部直径小于5微米时，其易受外界环境因素的影响，对其进行操作的难度增加。为了增加其可操作性，已有文献报到将光纤拉锥整体包埋于微流控芯片中，用于检测毫米量级通道内的液体折射率。由于光纤拉锥被整体包埋在微流控芯片中，光纤拉锥外的倏逝场不能直接作用于被测样品，导致检测灵敏度显著下降；此外，微纳光纤被包埋于低折射率的材料中，无法实现光纤表面修饰，从而导致分子识别、免疫分析等生物传感研究难以在此传感器上实现。
因此，研究一种超高灵敏度、低样品消耗量的微纳光纤传感器对于生命科学、环境监测和食品安全等领域研究的发展都具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种嵌入式光纤拉锥微纳光纤微流控芯片传感器及其制备方法。
为实现以上发明目的，本发明所采取的技术方案是：该嵌入式光纤拉锥微纳光纤微流控芯片传感器包括微流控芯片，所述微流控芯片的内部设有进样通道、光纤通道、出样通道和密封胶通道；所述进样通道设有一个以上溶液入口；所述光纤通道内置有光纤拉锥，所述光纤拉锥的两端的未拉伸部分包埋于所述光纤通道内，所述光纤拉锥的拉伸部分与所述光纤通道的内壁存在间隙；所述光纤通道在光纤拉锥的其中一个过渡区所在位置处设有进样口, 所述光纤通道在光纤拉锥的另一个过渡区所在位置处设有出样口, 所述进样通道经由所述进样口与光纤通道连通，所述出样通道经由所述出样口与光纤通道连通；所述光纤通道在所述光纤拉锥的其中一端的未拉伸部分所在区域各设有第一密封胶入口，所述光纤通道在所述光纤拉锥的另一端的未拉伸部分所在区域各设有第二密封胶入口，所述光纤通道分别经由所述第一密封胶入口、第二密封胶入口与相应的所述密封胶通道连通；所述光纤通道在第一密封胶入口与进样口之间的区域内填充有密封胶，所述光纤通道在第二密封胶入口与出样口之间的区域内填充有密封胶。
本发明的嵌入式光纤拉锥微纳光纤微流控芯片传感器的制备方法包括如下步骤：
（1）制作微流控芯片的基片，所述微流控芯片的基片的表面设有进样通道、光纤通道、出样通道和密封胶通道；所述进样通道设有一个以上溶液入口；所述光纤通道设有进样口、出样口、第一密封胶入口、第二密封胶入口，所述进样口和出样口之间的距离大于0且小于5厘米，所述第一密封胶入口位于所述进样口的外侧，所述第二密封胶入口位于所述出样口的外侧；所述进样通道经由所述进样口与光纤通道连通，所述出样通道经由所述出样口与光纤通道连通；所述光纤通道分别经由所述第一密封胶入口、第二密封胶入口与相应的所述密封胶通道连通；
（2）将光纤的保护层剥去，后采用光纤熔接机对光纤进行预拉伸以使其腰部直径为30-70微米，接着对光纤的所述腰部进一步加热并将所述光纤拉伸至腰部直径小于5微米且腰部的长度大于0且小于5厘米，得到光纤拉锥；
（3）将光纤拉锥嵌入到所述光纤通道中，使得所述光纤拉锥的两端的未拉伸部分别位于所述进样口和出样口的外侧，光纤拉锥的腰部位于所述进样口和出样口之间且光纤拉锥的腰部与所述光纤通道的内壁存在间隙，光纤拉锥的其中一个过渡区与进样口相对，光纤拉锥的另一个过渡区与出样口相对；
（4）将所述微流控芯片的基片与另一个基片键合，形成微流控芯片；
（5）向各密封胶通道内注入密封胶，使密封胶恰好注入至所述光纤拉锥的两个过渡区所在的位置，后对密封胶固化。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：（1）将光纤拉锥嵌入微流控芯片可充分利用微纳光纤的长度，将传感距离提升至厘米量级，与包埋式的微纳光纤传感器相比，微纳光纤能与被测样品直接作用，最大程度利用倏逝场，从而显著提高检测灵敏度。以吸光度检测为例，此传感器可将传统分光光度计的灵敏度提高3个数量级，对于染色的蛋白质可达到单分子的检测灵敏度。（2）光纤拉锥通过与微流控芯片的集成，传感器的样品消耗降低至微升甚至纳升量级，而且使光纤拉锥免受外界环境因素的干扰。（3）采用嵌入式的集成方法可以通过灵活设计微流控芯片的进样通道构型，在微流控芯片上能够完成混合、稀释、生化反应等步骤，可大大提高系统的集成度。（4）光纤拉锥的未拉伸部分为标准商用单模或多模光纤，可与外围光源、探测器无缝对接，可实现实时检测和危险环境下的远距离传感。（5）该传感器无需昂贵加工设备，加工过程简单和加工成本低，具有超高灵敏度和长期工作稳定性，并与微流控芯片集成，能实现低样品消耗。
附图说明
图1是本发明传感器的结构示意图；
图2是具有两个溶液入口的本发明传感器的结构示意图；
图3是具有三个溶液入口的本发明传感器的结构示意图；
图中：1－进样通道，2－光纤通道，3-光纤拉锥，4－光纤拉锥的拉伸部分（即微纳光纤），5-进样口，6-出样通道，7-密封胶通道，8-微流控芯片，9－光源，10-探测器，11-出样口，12-第一密封胶入口,13-第二密封胶入口,14-溶液入口。
具体实施方式
以下以聚二甲基硅氧烷（PDMS）和商用多模光纤（外径125微米）为例说明本发明的制备方法。
微流控芯片采用SU-8阳模和折射率低于光纤的PDMS进行制备：将未固化的PDMS浇注在SU-8阳模上，在85℃的温度下固化30分钟，然后将其与SU-8阳模剥离，形成具有进样通道1、光纤通道2、出样通道6和密封胶通道7的PDMS基片。如图1至图3所示，本发明微流控芯片8的进样通道1设有一个以上溶液入口14；光纤通道2设有进样口5、出样口11、第一密封胶入口12、第二密封胶入口13，进样口5和出样口11之间的距离大于0且小于5厘米，通常第一密封胶入口12位于进样口5的外侧1厘米处，第二密封胶入口13位于出样口11的外侧1厘米处；进样通道1经由进样口5与光纤通道2连通，出样通道6经由出样口11与光纤通道2连通；光纤通道2分别经由第一密封胶入口12、第二密封胶入口13与相应的密封胶通道7连通。若要在光纤通道2内嵌入外径为125微米的标准商用光纤拉锥，可使光纤通道2的宽度和深度均为125微米。
将商用多模光纤的保护层剥去，后采用光纤熔接机对光纤进行预拉伸以使其腰部直径为30-70微米，接着对光纤的腰部进一步加热并将光纤拉伸至腰部直径小于5微米且腰部的长度大于0且小于5厘米，并且使腰部的长度与微流控芯片上进样口5与出样口11间的距离一致。采用两步拉伸制备光纤拉锥可以使光纤在较短的拉伸长度内使其腰部变成微纳光纤，便于与微流控芯片集成。
将制得的光纤拉锥垂直放置，使其在重力的作用下将其腰部自然拉直，然后将光纤拉锥嵌入到光纤通道2中，使得光纤拉锥的两端的未拉伸部分别位于进样口5和出样口11的外侧，光纤拉锥的腰部位于进样口和出样口之间且光纤拉锥的腰部与光纤通道2的内壁存在间隙，光纤拉锥的其中一个过渡区与进样口5相对，光纤拉锥的另一个过渡区与出样口11相对。
将微流控芯片的基片与另一个PDMS基片键合，形成微流控芯片8；在进样通道1、出样通道6和密封胶通道7末端位置开孔，使溶液可以流入和流出微流控芯片8；使密封胶流入微流控芯片8。
本发明采用未固化的PDMS作为密封胶，向各密封胶通道7内注入PDMS。PDMS经由第一密封胶入口12和第二密封胶入口13进入光纤通道2后，向两边扩散，填充光纤与光纤通道间2的间隙。当PDMS恰好注入至光纤拉锥3的过渡区所在的位置时，停止注入，避免PDMS堵塞进样口5和出样口11。此时，光纤通道2在第一密封胶入口12与进样口5之间的区域内填充有密封胶，光纤通道2在第二密封胶入口13与出样口11之间的区域内填充有密封胶。然后将其放在85℃的温度下固化30分钟，使光纤拉锥3的未拉伸部分完全包埋于微流控芯片8中，而用于传感的微纳光纤又能完全作用于被测样品。此种先嵌入后包埋的方法不仅能够满足保护光纤拉锥的需求，提高传感器的可操作性，而且还为微纳光纤4提供了一个微升至纳升级的检测通道，使其能够最大程度的利用其长度进行传感，在提高检测灵敏度的同时，减少样品消耗。
将露在微流控芯片外部的标准光纤通过标准光纤适配器分别与光源9和探测器10连接，采用注射泵注入或负压吸取的方式驱动溶液从溶液入口14进入微流控芯片8，溶液经过进样口5和出样口11与微纳光纤4相互作用，通过探测器10记录输出光强的变化，实现对被测样品的传感。
以下以亚甲基蓝溶液的吸光度检测为例进一步说明此传感器的技术效果。
首先制备如图2所示的具有两个溶液入口14的本发明传感器，其微纳光纤4的直径为1微米，进样口5与出样口11间的距离为2.5厘米。将本发明传感器的光纤拉锥两端的标准多模光纤通过裸光纤适配器分别与以波长为633nm的氦氖激光器（光源）和光谱仪（探测器）相连。亚甲基蓝溶液从一个溶液入口14 经注射泵以1微升/分钟的流速注入微流控芯片8，经进样通道1，进样口5流入嵌有微纳光纤4的光纤通道2，并与微纳光纤4相互作用，经出样口11和出样通道6流出微流控芯片。作为参比溶液的蒸馏水经另一个溶液入口14，用另一注射泵以相同的流量注入。蒸馏水和亚甲基蓝溶液交替注入，先注入蒸馏水获得原始透射光强，然后注入亚甲基蓝溶液，测得透射光强，并计算吸光度。在0-30 nM的浓度范围内，配制5个不同浓度的亚甲基蓝标准样品，按照浓度由低到高的顺序测量吸光度，并绘制工作曲线。得到工作曲线后，便可对未知浓度的样品进行测量，测得未知样品的吸光度后便可通过工作曲线得到其浓度。将亚甲基蓝溶液的浓度和吸光度进行线性回归，线性相关系数（R2）达到0.995，检出限达到50 pM。用传统分光光度计测量亚甲基蓝的检出限为200nM，因此，此微纳光纤传感器可以将传统分光光度计的灵敏度提高3个数量级以上，而检测所需的最小体积仅为500纳升左右，实际样品消耗仅为数微升。
Claims (2)
1.一种嵌入式光纤拉锥微纳光纤微流控芯片传感器，其特征是：包括微流控芯片，所述微流控芯片的内部设有进样通道（1）、光纤通道（2）、出样通道（6）和密封胶通道（7）；所述进样通道（1）设有一个以上溶液入口（14）；所述光纤通道（2）内置有光纤拉锥（3），所述光纤拉锥（3）的两端的未拉伸部分包埋于所述光纤通道（2）内，所述光纤拉锥（3）的拉伸部分（4）与所述光纤通道（2）的内壁存在间隙；所述光纤通道（2）在光纤拉锥（3）的其中一个过渡区所在位置处设有进样口（5）, 所述光纤通道（2）在光纤拉锥（3）的另一个过渡区所在位置处设有出样口（11）, 所述进样通道（1）经由所述进样口（5）与光纤通道连通，所述出样通道（6）经由所述出样口（11）与光纤通道（2）连通；所述光纤通道（2）在所述光纤拉锥（3）的其中一端的未拉伸部分所在区域设有第一密封胶入口（12），所述光纤通道（2）在所述光纤拉锥（3）的另一端的未拉伸部分所在区域设有第二密封胶入口（13），所述光纤通道（2）分别经由所述第一密封胶入口（12）、第二密封胶入口（13）与相应的所述密封胶通道（7）连通；所述光纤通道在第一密封胶入口（12）与进样口（5）之间的区域内填充有密封胶，所述光纤通道在第二密封胶入口（13）与出样口（11）之间的区域内填充有密封胶。
2.一种权利要求1的嵌入式光纤拉锥微纳光纤微流控芯片传感器的制备方法，其特征是，包括如下步骤：
1）制作微流控芯片的基片，所述微流控芯片的基片的表面设有进样通道（1）、光纤通道（2）、出样通道（6）和密封胶通道（7）；所述进样通道（1）设有一个以上溶液入口（14）；所述光纤通道设有进样口（5）、出样口（11）、第一密封胶入口（12）、第二密封胶入口（13），所述进样口（5）和出样口（11）之间的距离大于0且小于5厘米，所述第一密封胶入口（12）位于所述进样口（5）的外侧，所述第二密封胶入口（13）位于所述出样口（11）的外侧；所述进样通道（1）经由所述进样口（5）与光纤通道（2）连通，所述出样通道（6）经由所述出样口（11）与光纤通道（2）连通；所述光纤通道（2）分别经由所述第一密封胶入口（12）、第二密封胶入口（13）与相应的所述密封胶通道（7）连通；
2）将光纤的保护层剥去，后采用光纤熔接机对光纤进行预拉伸以使其腰部直径为30-70微米，接着对光纤的所述腰部进一步加热并将所述光纤拉伸至腰部直径小于5微米且腰部的长度大于0且小于5厘米，得到光纤拉锥（3）；
3）将光纤拉锥嵌入到所述光纤通道（2）中，使得所述光纤拉锥的两端的未拉伸部分别位于所述进样口（5）和出样口（11）的外侧，光纤拉锥的腰部位于所述进样口（5）和出样口（11）之间且光纤拉锥的腰部与所述光纤通道的内壁存在间隙，光纤拉锥的其中一个过渡区与进样口（5）相对，光纤拉锥的另一个过渡区与出样口（11）相对；
4）将所述微流控芯片的基片与另一个基片键合，形成微流控芯片（8）；
5）向各密封胶通道（7）内注入密封胶，使密封胶恰好注入至所述光纤拉锥（3）的两个过渡区所在的位置，后对密封胶固化。
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