CN102519908B - 成像式光微流体传感装置及方法 - Google Patents
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Abstract
成像式光微流体传感装置及方法。传感装置包括：可调谐激光光源，准直透镜，入射角调整架，反射棱镜，光微流体谐振腔阵列，微透镜阵列，阵列式光电探测器，信号控制与处理单元。光源发出的光经准直透镜后以平行光束入射到反射棱镜，入射光在反射棱镜底面通过消逝场耦合，激发光微流体谐振腔阵列的谐振模进行传感，带有谐振模波长信息的反射光入射到阵列式光电探测器成像，在连续调谐激光输出波长时记录下相应的多帧图像，然后在信号处理单元中将阵列式光电探测器中每一个像素按记录光源波长进行串行处理，实现对各个光微流体谐振腔的波长传感查询。该装置能有效的实现多通道光微流体传感，可用于高通量光微流体检测系统的构建。
Description
技术领域
本发明涉及各种基于光微谐振传感的多通道复用技术领域，尤其是光微流体传感的空分复用，属于光生物和化学传感技术。
背景技术
基于微谐振光学技术的无标记生物传感器直接测量分子相互作用，能实现生物分子相互作用的实时观察，由于无需待测分析物具有荧光、特征吸收或散射带等特殊性质，测量对象范围大大扩展，可探测毒素、蛋白质、DNA，甚至整个细胞行为，从而为医学诊断、药品研制、食物监测、环境监测等领域提供了有力的分析工具。
光微流体谐振腔利用全反射将光完全约束在微腔内，形成驻波而产生回音壁谐振模(Whisper Gallery Mode，WGM)，由于是全反射，泄漏损耗非常小，因而能以很小的尺寸获得很高的Q值，Q值可高达1010。当附在微腔表面的待测物浓度变化引起折射率变化时，谐振腔的有效折射率将产生变化，从而引起谐振波长漂移。通过检测波长漂移，即可检测出待测物浓度变化。球形、环形和柱形是光微谐振腔的常见几何形状。
目前微谐振腔光学传感器仍无法实现高通量快速测量。然而在生物和化学传感检测发展中，实现标准的96井或384井的高通量快速测量是生物光学传感器能够真正应用和发挥其优势的前提，因此设计新型的光微流体测量方案很关键。
发明内容
本发明的目的是解决上述微谐振传感复用技术仍无法实现高通量快速测量的问题，提供一种成像式光微流体传感装置及方法。
本发明提供的成像式光微流体传感装置，包括：
可调谐激光光源：用于输出波长可连续变化的激光，可调谐激光光源为可调谐激光二极管或可调谐光纤激光器；
准直透镜：用于将可调谐激光光源产生的发散光转变为平行的线光束或者面光束，准直透镜为柱面镜或球面镜；
入射角调整架：可调谐激光光源和准直透镜安装在入射角调整架上，用于调整平行的线光束或者面光束的入射光角度；
反射棱镜：使入射角大于全反射临界角的入射光经反射棱镜的入射面入射后，在棱镜的反射面产生全反射，使一部分入射光通过消逝场耦合到光微流体谐振腔阵列中产生谐振，并将携带谐振模波长信息的反射光经棱镜的出射面照射到阵列式光电探测器中；
光微流体谐振腔阵列：包括三种实现方式，(1)单根微管沿轴向的不同部位构成的一维光微流体谐振腔阵列，(2)多根微管并排构成的一维光微流体谐振腔阵列，(3)前两者组合构成的二维光微流体谐振腔阵列；每一个光微流体谐振腔固化不同的生物检测试剂，满足谐振条件的光在光微流体谐振腔内发生谐振；
微透镜阵列：用于将来自每个光微流体谐振腔单元的光线汇聚到阵列式光电探测器的相应像素单元，包括线阵和面阵微透镜阵列；
阵列式光电探测器：用于记录光微流体谐振腔阵列的光信号，包括线阵和面阵阵列式光电探测器。光电探测器结构包括CCD阵列、CMOS阵列和InGaAs阵列；
信号控制与处理单元：控制可调谐激光光源的波长调谐和阵列式光电探测器的采集动作，并对连续调谐激光输出波长时阵列式光电探测器记录下的多帧图像进行处理，将阵列式光电探测器每个像素按接收的时间串行提取处理，并转换成随波长变化的强度信息，从而探测出各个像素所对应的光微流体谐振腔的谐振波长。
在所述的装置中，可调谐光源的中心工作波长范围600nm-1600nm；反射棱镜采用高折射率光学材料制作，如重火石玻璃ZF13；构成光微流体谐振腔阵列的微管外径在20μm-400μm，壁厚在1μm-100μm。可调谐光源的中心工作波长范围在600nm-1100nm时，阵列式光电探测器采用CCD阵列和CMOS阵列；可调谐光源的中心工作波长范围在1100nm-1600nm时，阵列式光电探测器采用InGaAs阵列。
本发明的主要特点是：利用阵列式探测器和可调谐激光光源实现光微流体谐振腔阵列的空间传感查询，从而实现光微流体谐振传感的空分复用。
本发明同时提供了一种基于上述装置的成像式光微流体传感方法，该方法的具体过程如下：
第1、由可调谐激光光源发出的光经准直透镜后变成平行光束，调整入射角调整架，使该平行光束经反射棱镜的入射面，入射到反射棱镜的反射面，并且入射角大于全反射临界角，在反射棱镜的反射面发生全反射；
第2、在光微流体谐振腔阵列不同位置处的光微流体谐振腔单元中，根据测试目标固化相同或不同的生物检测试剂，当所输送的待检测生物流体通过光微流体谐振腔阵列时，待测生物分子将与光微流体谐振腔单元的生物检测试剂发生相互作用，使该谐振腔单元所处的微管内壁表面附近的折射率发生变化，进而改变光微流体谐振腔的有效折射率变化而引起波长漂移；
第3、入射光由消逝场耦合激发出光微流体谐振腔阵列中的各个谐振腔的回音壁谐振模(Whisper Gallery Mode，WGM)，携带相应谐振波长信息的反射光经微透镜阵列入射到阵列式光电探测器中，阵列式光电探测器每个像素单元分别与光微流体谐振腔阵列中的各单元一一对应，在探测光的传输谱中会形成一系列对应WGM模的窄带谐振下陷谱线；
第4、信号处理单元控制连续调谐激光输出波长，并同步控制阵列式光电探测器记录下相应的多帧图像，然后将阵列式光电探测器每个像素按接收的时间串行提取处理，并转换成随波长变化的强度信息，从而探测出各个像素所对应的光微流体谐振腔的谐振波长：λm＝neff2πR/m，式中neff为光微流体谐振腔的有效折射率，m为角模式数。同时检测出光微流体谐振腔阵列中各单元谐振模波长的漂移量Δλi，即可求出各光微流体谐振腔的有效折射率变化
从待检测生物分子浓度与有效折射率变化Δneff的对应关系，最终求出各谐振腔单元所检测的生物分子浓度。从而实现高灵敏度、高通量的光微流体生物化学检测。
本发明的优点和积极效果：
1.成像式光微流体传感装置及方法能够利用阵列式光电探测器同步接收光微流体谐振腔阵列中的各个谐振腔谐振模波长信息，实现空分复用。根据不同的应用场合，在不同光微流体谐振腔单元固化不同的生物检测试剂，由于是多个探测器的同步并行检测，实现了高通量光微流体检测。
2.成像式光微流体传感装置采用反射棱镜耦合方式，因此同样适用于微球和微环构成光流体传感阵列。阵列式光电探测器包括线阵和面阵两种，能够灵活构建不同规模的检测系统。
3.所提出的成像式光微流体传感器空分复用技术容易实现，能够采用已有技术实现批量生产。
附图说明
图1是信号控制与处理单元探测光微流体谐振腔谐振波长的原理示意图；
图2是采用基于单根微管沿轴向的不同部位构成的一维光微流体谐振腔阵列的传感装置示意图；
图3是采用基于多根微管并排构成的一维光微流体谐振腔阵列的传感装置示意图；
图4是采用基于多根微管并排构成的二维光微流体谐振腔阵列的传感装置示意图。
图中：1为可调谐激光光源；2为柱面准直透镜；3为入射角调整架；4为反射棱镜；5为基于单根微管沿轴向的不同部位构成的一维光微流体谐振腔阵列；6为线阵微透镜阵列；7为线阵阵列光电探测器；8为信号控制与处理单元；9为基于多根微管并排构成的一维光微流体谐振腔阵列；10为球面准直透镜；11为基于多根微管并排构成的二维光微流体谐振腔阵列；12为面阵微透镜阵列；13为面阵阵列光电探测器；14为反射棱镜中光线的入射面；15为反射棱镜中光线的反射面；16为反射棱镜中光线的出射面。
具体实施方式
实施例1：信号控制与处理单元探测光微流体谐振腔谐振波长的原理
m×n阵列式光电探测器每个像素单元分别与m×n光微流体谐振腔阵列中的各单元一一对应，其中m为行数，n为列数。如图1所示，对于m×n阵列式光电探测器的第(i，j)个像素单元，i＝1，Λ，m，j＝1，Λ，n，信号控制与处理单元连续调谐激光输出波长，输出波长随时间t变化，在t1、t2......tk等不同时刻，对应的光波长依次为λ1，λ2，Λ，λk，在调谐的同时，同步控制阵列式光电探测器记录下与各光波长对应的图像P1，P2，Λ，Pk。信号控制与处理单元对该系列图像进行抽取处理，即对每一幅图像都抽取第(i，j)个像素Pl(i，j)，l＝1，Λ，k，然后按时间顺序t1、t2......tk串行排列，由于t1、t2......tk时刻对应的光波长依次为λ1，λ2，Λ，λk，因此抽取的数据被转换成随波长变化的强度信息，寻找下陷峰值，从而探测出第(i，j)个像素单元所对应的第(i，j)个光微流体谐振腔的谐振波长λi，j。对m×n阵列式光电探测器的每一个像元重复上述处理过程，即可获得m×n光微流体谐振腔阵列中的所有谐振波长信息。
实施例2：采用基于单根微管沿轴向的不同部位构成的一维光微流体谐振腔阵列的传感装置及方法
如图2所示，传感装置包括：可调谐激光光源1位于入射角调整架3上，且与信号控制与处理单元8相连，可调谐激光光源为掺铒可调光纤激光器，波长范围1525～1560nm；柱面准直透镜2位于入射角调整架3上，其平面部分垂直于可调谐激光光源1的光轴；反射棱镜4为直角棱镜，其反射面15的尺寸为24mm×36mm，反射棱镜4的入射面14正对准直透镜2的凸面，反射棱镜4的出射面16正对线阵微透镜阵列6，反射棱镜4采用光学材料为折射率是1.7447的重火石玻璃ZF13制作；单根微管沿轴向的不同部位构成的一维光微流体谐振腔阵列5，是利用外直径为360μm、壁厚50μm的微管，在微管轴向不同位置的内壁根据测试目标固化相同或不同的生物检测试剂构成的一维光微流体谐振腔阵列，该阵列位于反射棱镜4的反射面15上，且微管轴向平行于反射棱镜4的棱，每一个光微流体谐振腔单元固化不同的生物检测试剂，满足谐振条件的光在光微流体谐振腔单元内发生谐振；线阵微透镜阵列6正对反射棱镜4的出射面16，且垂直于从棱镜出射面16发出的光线；线阵阵列式光电探测器7位于线阵微透镜阵列6的焦平面，并与信号控制与处理单元8相连，光电探测器采用InGaAs阵列；信号控制与处理单元8分别与可调谐激光光源1和线阵阵列式光电探测器7相连。
传感方法具体过程
由可调谐激光光源1发出的光经柱面准直透镜2后变成平行的线光束，经入射角调整架3调整入射角，使入射到棱镜反射面15的入射角为40°，大于全反射临界角35°，因此发生全反射。发生全反射处，入射光由消逝场耦合激发出一维光微流体谐振腔阵列5中的各个谐振腔的回音壁谐振模(Whisper Gallery Mode，WGM)，在探测光的传输谱中会形成一系列对应WGM模的窄带谐振下陷谱线，下陷中心波长为λm＝neff2πR/m，式中neff为光微流体谐振腔的有效折射率，m为角模式数。当所输送的待检测生物流体通过此光微流体谐振腔阵列5时，待测生物分子将与光微流体谐振腔阵列5的单元中的生物检测试剂发生相互作用，使该谐振腔单元所处的微管内壁表面附近的折射率发生变化，进而引起光微流体谐振腔的有效折射率变化Δneff，从而导致谐振波长漂移Δλ，携带相应谐振波长信息的反射光经线阵微透镜阵列6入射到线阵阵列式光电探测器7中。线阵阵列式光电探测器7的每个像素单元，分别与基于单根微管沿轴向的不同部位构成的一维光微流体谐振腔阵列5中的各单元一一对应。信号控制与处理单元8控制可调谐激光光源1输出波长变化，并同步控制线阵阵列式光电探测器7记录下相应的多帧图像，然后将线阵阵列式光电探测器7的每个像素按接收的时间串行提取处理，并转换成随波长变化的强度信息，从而探测出各个像素所对应的光微流体谐振腔的谐振波长。同时检测出基于单根微管沿轴向的不同部位构成的一维光微流体谐振腔阵列5中各单元谐振模波长的漂移量Δλi，即可求出各光微流体谐振腔的有效折射率变化
从待检测生物分子浓度与有效折射率变化Δneff的对应关系，最终求出各谐振腔单元所检测的生物分子浓度。从而实现高灵敏度、高通量的光微流体生物化学检测。
实施例3：采用基于多根微管并排构成的一维光微流体谐振腔阵列的传感装置及方法
如图3所示，传感装置包括：可调谐激光光源1位于入射角调整架3上，且与信号控制与处理单元8相连，可调谐激光光源为掺铒可调光纤激光器，波长范围1525～1560nm；柱面准直透镜2位于入射角调整架3上，其平面部分垂直于可调谐激光光源1的光轴；反射棱镜4为直角棱镜，其反射面15的尺寸为24mm×36mm，反射棱镜4的入射面14正对准直透镜2的凸面，反射棱镜4的出射面16正对线阵微透镜阵列6，反射棱镜4采用光学材料为折射率是1.7447的重火石玻璃ZF13制作；同一平面上的多根微管平行排列构成一维光微流体谐振腔阵列9，每根微管外直径为360μm、壁厚50μm，在每根微管的内壁根据测试目标固化相同或不同的生物检测试剂构成一维光微流体谐振腔阵列，该阵列位于反射棱镜4的反射面15上，且微管轴向平行于反射棱镜4的棱；线阵微透镜阵列6正对反射棱镜4的出射面16，且垂直于从棱镜出射面16发出的光线；线阵阵列式光电探测器7位于线阵微透镜阵列6的焦平面，并与信号控制与处理单元8相连，光电探测器采用InGaAs阵列；信号控制与处理单元8分别与可调谐激光光源1和线阵阵列式光电探测器7相连。
传感方法具体过程
由可调谐激光光源1发出的光经柱面准直透镜2后变成平行的线光束，经入射角调整架3调整入射角，使入射到棱镜反射面15的入射角为40°，大于全反射临界角35°，因此发生全反射处，入射光由消逝场耦合激发出一维光微流体谐振腔阵列9中的各个谐振腔的回音壁谐振模(WGM)，在探测光的传输谱中会形成一系列对应WGM模的窄带谐振下陷谱线，下陷中心波长为λm＝neff2πR/m，式中neff为光微流体谐振腔的有效折射率，m为角模式数。当所输送的待检测生物流体通过此光微流体谐振腔阵列9时，待测生物分子将与光微流体谐振腔单元的生物检测试剂发生相互作用，使该谐振腔单元所处的微管内壁表面附近的折射率发生变化，进而引起光微流体谐振腔的有效折射率变化Δneff，从而导致谐振波长漂移Δλ，携带相应谐振波长信息的反射光经线阵微透镜阵列6入射到线阵阵列式光电探测器7中。线阵阵列式光电探测器7的每个像素单元，分别与基于多根微管并排构成的一维光微流体谐振腔阵列9中的各单元一一对应。信号控制与处理单元8控制可调谐激光光源1输出波长变化，并同步控制线阵阵列式光电探测器7记录下相应的多帧图像，然后将线阵阵列式光电探测器7的每个像素按接收的时间串行提取处理，并转换成随波长变化的强度信息，从而探测出各个像素所对应的光微流体谐振腔的谐振波长。同时检测出基于多根微管并排构成的一维光微流体谐振腔阵列9中各单元谐振模波长的漂移量Δλi，即可求出各光微流体谐振腔的有效折射率变化
，从待检测生物分子浓度与有效折射率变化Δneff的对应关系，最终求出各谐振腔单元所检测的生物分子浓度。从而实现高灵敏度、高通量的光微流体生物化学检测。
实施例4：采用基于多根微管并排构成的二维光微流体谐振腔阵列的传感装置及方法
如图4所示，传感装置包括：可调谐激光光源1位于入射角调整架3上，且与信号控制与处理单元8相连，可调谐激光光源为掺铒可调光纤激光器，波长范围1525～1560nm；球面准直透镜10位于入射角调整架3上，其平面部分垂直于可调谐激光光源1的光轴；反射棱镜4为直角棱镜，其反射面15的尺寸为24mm×36mm，反射棱镜4的入射面14正对准直透镜10的凸面，反射棱镜4的出射面16正对面阵微透镜阵列12，反射棱镜4采用光学材料为折射率是1.7447的重火石玻璃ZF13制作；同一平面上基于多根微管并排构成的二维光微流体谐振腔阵列11，每根微管外直径为360μm、壁厚50μm，在每根微管轴向不同位置的内壁根据测试目标固化相同或不同的生物检测试剂构成一维光微流体谐振腔阵列，该阵列位于反射棱镜4的反射面15上，且微管轴向平行于反射棱镜4的棱；面阵微透镜阵列12正对反射棱镜4的出射面16，且垂直于从棱镜出射面16发出的光线；面阵阵列式光电探测器13位于面阵微透镜阵列12的焦平面，并与信号控制与处理单元8相连，光电探测器采用InGaAs阵列；信号控制与处理单元8分别与可调谐激光光源1和面阵阵列式光电探测器13相连。
传感方法具体过程
由可调谐激光光源1发出的光经球面准直透镜10后变成平行的面光束，经入射角调整架3调整入射角，使入射到棱镜反射面15的入射角为40°，大于全反射临界角35°，因此发生全反射。发生全反射处，入射光由消逝场耦合激发出二维光微流体谐振腔阵列11中的各个谐振腔的回音壁谐振模(WGM)，在探测光的传输谱中会形成一系列对应WGM模的窄带谐振下陷谱线，下陷中心波长为λm＝neff2πR/m，式中neff为光微流体谐振腔的有效折射率，m为角模式数。当所输送的待检测生物流体通过此光微流体谐振腔阵列11时，待测生物分子将与光微流体谐振腔单元的生物检测试剂发生相互作用，使该谐振腔单元所处的微管内壁表面附近的折射率发生变化，进而引起光微流体谐振腔的有效折射率变化Δneff，从而导致谐振波长漂移Δλ，携带相应谐振波长信息的反射光经面阵微透镜阵列12入射到面阵阵列式光电探测器13中。面阵阵列式光电探测器13的每个像素单元，分别与基于多根微管并排构成的二维光微流体谐振腔阵列11中的各单元一一对应。信号控制与处理单元8控制可调谐激光光源1输出波长变化，并同步控制面阵阵列式光电探测器13记录下相应的多帧图像，然后将面阵阵列式光电探测器13的每个像素按接收的时间串行提取处理，并转换成随波长变化的强度信息，从而探测出各个像素所对应的光微流体谐振腔的谐振波长。同时检测出基于多根微管并排构成的二维光微流体谐振腔阵列11中各单元谐振模波长的漂移量Δλi，即可求出各光微流体谐振腔的有效折射率变化
从待检测生物分子浓度与有效折射率变化Δneff的对应关系，最终求出各谐振腔单元所检测的生物分子浓度。从而实现高灵敏度、高通量的光微流体生物化学检测。
Claims (2)
1.一种成像式光微流体传感装置，其特征在于该传感装置包括：
可调谐激光光源：用于输出波长可连续变化的激光，可调谐激光光源为可调谐激光二极管或可调谐光纤激光器；
准直透镜：用于将可调谐激光光源产生的发散光转变为平行的线光束或者面光束，准直透镜为柱面镜或球面镜；
入射角调整架：可调谐激光光源和准直透镜安装在入射角调整架上，用于调整平行的线光束或者面光束的入射光角度；
反射棱镜：使入射角大于全反射临界角的入射光经反射棱镜的入射面入射后，在棱镜的反射面产生全反射，使一部分入射光通过消逝场耦合到光微流体谐振腔阵列中产生谐振，并将携带谐振模波长信息的反射光经棱镜的出射面照射到阵列式光电探测器中；
空分复用光微流体谐振腔阵列：包括三种实现方式，(1)单根微管沿轴向的不同部位构成的一维光微流体谐振腔空分复用阵列，(2)多根微管并排构成的一维光微流体谐振腔空分复用阵列，(3)前两者组合构成的二维光微流体谐振腔空分复用阵列；每一个光微流体谐振腔固化不同的生物检测试剂，满足谐振条件的光在光微流体谐振腔内发生谐振；
微透镜阵列：用于将来自每个光微流体谐振腔单元的光线汇聚到阵列式光电探测器的相应像素单元，包括线阵和面阵微透镜阵列；
阵列式光电探测器：用于记录空分复用光微流体谐振腔阵列的光信号，包括线阵和面阵阵列式光电探测器，光电探测器结构包括CCD阵列、CMOS阵列和InGaAs阵列；
信号控制与处理单元：控制可调谐激光光源的波长调谐和阵列式光电探测器的采集动作，并对连续调谐激光输出波长时阵列式光电探测器记录下的多帧图像进行处理，将阵列式光电探测器每个像素按接收的时间串行提取处理，并转换成随波长变化的强度信息，从而探测出各个像素所对应的光微流体谐振腔单元的谐振波长。
2.一种依据权利要求1所述的成像式光微流体传感装置的传感方法，其特征在于该方法的具体过程如下：
第1、由可调谐激光光源发出的光经准直透镜后变成平行光束，调整入射角调整架，使该平行光束经反射棱镜的入射面，入射到反射棱镜的反射面，并且入射角大于全反射临界角，在反射棱镜的反射面发生全反射；
第2、在空分复用光微流体谐振腔阵列不同位置处的光微流体谐振腔单元中，根据测试目标固化相同或不同的生物检测试剂，当所输送的待检测生物流体通过空分复用光微流体谐振腔阵列时，待测生物分子将与光微流体谐振腔单元的生物检测试剂发生相互作用，使该谐振腔单元所处的微管内壁表面附近的折射率发生变化,进而改变光微流体谐振腔的有效折射率从而引起波长漂移；
第3、入射光由消逝场耦合激发出光微流体谐振腔阵列中的各个谐振腔的回音壁谐振模（Whisper Gallery Mode，WGM），携带相应谐振波长信息的反射光经微透镜阵列入射到阵列式光电探测器中，阵列式光电探测器每个像素单元分别与空分复用光微流体谐振腔阵列中的各单元一一对应，在探测光的传输谱中会形成一系列对应WGM模的窄带谐振下陷谱线；
第4、信号处理单元控制连续调谐激光输出波长，并同步控制阵列式光电探测器记录下相应的多帧图像，然后将阵列式光电探测器每个像素按接收的时间串行提取处理，并转换成随波长变化的强度信息，从而探测出各个像素所对应的光微流体谐振腔单元的谐振波长：λm=neff2πR/m，式中neff为光微流体谐振腔单元的有效折射率，m为角模式数，同时检测出空分复用光微流体谐振腔阵列中各单元谐振模波长的漂移量△λi，即可求出各光微流体谐振腔单元的有效折射率变化
从而求出与微管内壁相接触的折射率n3的变化，从待检测生物分子浓度与有效折射率变化△neff的对应关系，最终求出各谐振腔单元所检测的生物分子浓度，从而实现高灵敏度、高通量的光微流体生物化学检测。
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