CN102539361A - 检测吸光度、折射率的长光程光纤-微流控芯片传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种检测吸光度、折射率的长光程光纤-微流控芯片传感器包括由透明材料制成的微流控芯片，微流控芯片的内部设有检测通道、入射光纤通道和出射光纤通道；检测通道设有样品入口、样品出口、光线入射口和光线出射口，检测通道位于入射光纤通道和出射光纤通道之间且相互间隔，由入射光纤通道出射的光线经检测通道内的样品吸收和侧壁的内壁面反射后能够入射到出射光纤通道中；入射光纤通道和出射光纤通道分别与置于其内的光纤相匹配，入射光纤通道内的光纤的出射端的端面与入射光纤通道的光线出射口的端面齐平，出射光纤通道内的光纤的入射端的端面与出射光纤通道的光线入射口的端面齐平。本发明能实现高灵敏度和低样品消耗的生化传感。

Description

检测吸光度、折射率的长光程光纤-微流控芯片传感器

技术领域

本发明涉及基于光纤和微流控芯片的传感器，特别是涉及吸光度和折射率检测的高灵敏度、微量液体生化传感器。

背景技术

微流控芯片是当今科学研究热点领域之一，在生命科学、化学、光学等领域具有广阔应用前景。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。微流控芯片在大大降低样品消耗量的同时，增加了对检测器的要求。目前使用的微流控芯片光学检测器通常依托于复杂的光路系统，严重限制了其应用领域，而且由于微流控芯片通道尺寸小，使吸光度检测等常规分析方法在微流控芯片上难以实现高灵敏度的检测。

吸光度检测是应用最为广泛的分析方法之一，为了克服微流控芯片上有效吸收光程小的问题，研究工作者进行了大量的研究工作，例如采用U型检测池、多次反射检测池、带有光路准直系统的光纤集成Z型检测池、毛细管液芯波导检测池和微结构光纤检测池等。U型检测池、多次反射检测池、带有光路准直系统的光纤集成Z型检测池能够在一定程度上提高吸光度检测的灵敏度，但是其检测灵敏度约为常规吸光度检测方法的十分之一，而且加工步骤复杂，制备成本高。基于毛细管液芯波导检测池和微结构光纤检测池的微流控芯片吸光度检测的灵敏度能够达到或超过常规吸光度检测方法，但是，毛细管液芯波导管检测池与微流控芯片集成后在其接口处存在一定的死体积，可能影响下一样品的准确测量，基于微结构光纤微流控芯片吸光度传感器亦可实现较高灵敏度，但是，其价格昂贵，而且液流阻力大，溶液驱动复杂，难以用于实际样品的测量。

折射率是另一种常用检测指标，通常用于没有荧光和特征光吸收的样品检测，例如蔗糖浓度的检测和无标记的生物样品检测。目前报道的微流控芯片折射率传感器多是在微流控芯片上集成谐振腔或干涉仪，通过测量谐振峰的移动获取折射率信息。此类传感器不仅需要昂贵的加工设备和复杂的加工过程，而且其灵敏度在很大程度上依赖于光谱仪的分辨率。

近期，研究工作者报到了一种在多次反射微流控芯片吸光度传感器。该传感器包括一组微加工的反射镜、用于光线准直的微透镜、入射光纤、出射光纤，以及微通道等。入射光线经过微加工的反射镜的反射后多次通过检测通道，最后被出射光纤收集，通过测量出射光纤输出光强的变化实现溶液吸光度的检测。该方案虽然实现了较高灵敏度吸光度检测，但是加工弧形反射镜的难度大，需要高精度的光刻设备，并且该传感器只能用于吸光度测量。

因此，研究一种低成本、高稳定性、多功能的高灵敏度、低样品消耗量的检测吸光度、折射率的光纤-微流控芯片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

本发明的目的之一是提供一种结构简单的用于检测吸光度的长光程光纤-微流控芯片传感器。

本发明的目的之二是提供一种结构简单的用于检测折射率的长光程光纤-微流控芯片传感器。

为实现以上目的，本发明所采取的技术方案是：该检测吸光度、折射率的长光程光纤-微流控芯片传感器包括由透明材料制成的微流控芯片，所述微流控芯片的内部设有检测通道、入射光纤通道和出射光纤通道；所述检测通道设有样品入口、样品出口、光线入射口和光线出射口，所述检测通道位于入射光纤通道和出射光纤通道之间且相互间隔，由入射光纤通道出射的光线经检测通道内的样品吸收和侧壁的内壁面反射后能够入射到出射光纤通道中；入射光纤通道和出射光纤通道分别与置于其内的光纤相匹配，入射光纤通道内的光纤的出射端的端面与入射光纤通道的光线出射口的端面齐平，出射光纤通道内的光纤的入射端的端面与出射光纤通道的光线入射口的端面齐平。

优选地，本发明所述微流控芯片的内部还设有进样通道和出样通道，所述进样通道的出样口与所述检测通道的样品入口连通，所述出样通道的进样口与所述检测通道的样品出口连通。

优选地，本发明所述进样通道设有一个以上进样口。

优选地，本发明所述检测通道的样品入口和样品出口设于该检测通道的侧壁上。

优选地，本发明所述检测通道的侧壁的内壁面垂直于该检测通道的底面。

优选地，本发明所述检测通道的的横截面呈矩形。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：（1）本发明在未对光线进行准直的情况下，入射光线经入射光纤射入检测通道后具有一定的发散角，一部分光线经过检测通道的侧壁的内壁面的多次反射多次反射后被出射光纤收集，另一部光线分直接通过检测通道被出射光纤收集。经过多次反射的那部分光线强度是样品与芯片材料折射率差的函数，当样品没有特征吸收时，则可通过测量总光强的变化检测样品的折射率，本发明传感器的折射率检测灵敏度可以达到或超过目前商用折射率检测仪器的水平。（2）当本发明传感器用于测量测量样品的吸光度时，所测样品的浓度通常较低，浓度变化引起的折射率变化可以忽略不计，通过测量总光强的变化检测样品的吸光度。值得指出的是，由于总光强中包括了多次反射的光线，所以本发明传感器的有效吸收长度大于检测通道的长度，从而有利于传感器灵敏度的提高。通过与传统分光光度计的对比发现，在分光计用比色皿的检测长度与本发明的检测通道长度相同的情况下，本发明传感器的灵敏度比传统分光光度计的灵敏度高10%，而且线性范围宽。（3）本发明传感器所用光纤的数值孔径较小，能够有效避免杂散光对检测的影响，并可与外围光源、光强探测器无缝对接，可实现实时检测和危险环境下的远距离传感，并且可以避免昂贵高分辨率光谱仪的使用。（4）本发明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，避免与毛细管或微结构光纤集成导致的死体积。（5）本发明传感器无需加工微反射镜和光线准直微透镜，加工过程简单，制备成本低。（6）检测通道长达厘米量级，且对样品的需求量为微升至纳升级量级，可见本发明能实现高灵敏度和低样品消耗的生化传感。

附图说明

图1是本发明传感器的结构示意图；

图2是本发明传感器在其进样通道具有两个进样口时的结构示意图；

图3是本发明传感器将不同浓度亚甲基蓝溶液引入其检测通道所测得的吸光度测量工作曲线；

图4是本发明传感器将不同折射率乙二醇溶液引入其检测通道所测得的折射率测量工作曲线；

图中：1－PDMS基片，2－平板玻璃基片，3－进样通道，4－检测通道，5－出样通道，6－入射光纤通道，7－出射光纤通道，8－入射光纤，9－出射光纤，10－光源，11－光强探测器，12－进样通道的进样口，13－出样通道的出样口，14－入射光纤通道的光线出射口，15－出射光纤通道的光线入射口，16－入射光纤通道、出射光纤通道的光纤插入口。

具体实施方式

    以下以透明聚合物聚二甲基硅氧烷（PDMS）制作微流控芯片并使用商用多模光纤（外径125微米，芯径62.5微米）为例来说明本发明传感器的结构及其制备方法。需要说明的是，该实施例并非是对本发明技术方案的限制，本发明也可使用其他透明材料制作微流控芯片并使用其他光纤；与各通道和光纤有关的尺寸数值仅是为说明本发明之方便而使用，本发明并不限于以下所举的具体数值。

具体地说，本实施例中，微流控芯片可采用SU-8阳模和折射率约为1.41的PDMS进行制备。在本发明传感器中，入射光纤通道6和出射光纤通道7的作用是固定光纤，而入射光纤通道6和出射光纤通道7内的光纤则分别用于出射和收集光线。进一步地，本发明的微流控芯片的内部可专门设有便于样品进出检测通道4的进样通道3和出样通道5。本发明对各通道的横截面形状并无特别限定，可以是矩形、三角形、梯形、圆形等。但对于检测通道4的侧壁用以将从入射光纤通道6射入的部分光线反射到出射光纤通道7中而言，作为本发明的优选实施方式，检测通道4的侧壁的内壁面垂直于检测通道4的底面，这样可以保证光线在同一个平面上反射，有助于提高反射光线的收集效率和传感器的灵敏度。进一步地，检测通道4的横截面优选为矩形。而当入射光纤通道4和出射光纤通道5的横截面为矩形时，在工艺上容易确保光纤的端面与通道的端面齐平。并且，在对SU-8阳模进行加工时，相对于其他的形状，将各通道的横截面加工为矩形更简单易行。

加工SU-8阳模时，SU-8阳模上对应于检测通道4、入射光纤通道6和出射光纤通道7的凸起部分垂直于阳模的底面，从而保证检测通道4的横截面为矩形，且入射光纤通道6和出射光纤通道7的横截面为矩形。为了保证光线严格按照设计的入射角度在微流控芯片内传播，入射光纤通道6和出射光纤通道7应分别与插入其中的光纤相匹配，以使当光纤插入入射光纤通道6和出射光纤通道7后，通道内的光纤相对于通道位置固定、不滑移。本实施例采用外径为125微米的商用多模光纤作为入射光纤和出射光纤，这时可将SU-8阳模与入射光纤通道和出射光纤通道对应的凸起部分的高度（对应于矩形横截面的长度）设计为130微米、宽度（即对应于矩形横截面的宽度）设计为125微米；需要说明的是，凸起部分的高度和宽度也可是其他尺寸，技术人员可根据情况自行确定，一般地，高度比宽度的尺寸大。由于本实施例中光纤的外径和与入射光纤通道和出射光纤通道对应的凸起部分的宽度均为125微米，因此入射光纤通道4和出射光纤通道5内的光纤不会在通道内滑移，实现相对固定。

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3、检测通道4、出样通道5入射光纤通道6和出射光纤通道7的PDMS基片1；由于PDMS精确复制了SU-8阳模的构型，各通道的横截面均为矩形，各通道深度均为130微米，入射光纤通道6和出射光纤通道7的宽度为125微米。如图1所示，本发明的微流控芯片由具有进样通道3、检测通道4、出样通道5、入射光纤通道6和出射光纤通道7等微通道的PDMS基片1和平板玻璃基片2经等离子体处理后键合而成，并且平板玻璃基片2的面积略大于PDMS基片1，以利于光纤在平板玻璃基片2上的固定。如图1、2所示，检测通道4设有样品入口、样品出口、光线入射口和光线出射口。其中，检测通道4的样品入口和样品出口设于该检测通道4的侧壁上，进样通道3的出样口与检测通道4的样品入口连通，出样通道5的进样口与检测通道4的样品出口连通。检测通道4位于入射光纤通道6和出射光纤通道7之间且相互间隔。入射光纤通道6的光线出射口14与检测通道4的光线入射口相对，出射光纤通道7的光线入射口15与检测通道4的光线出射口相对，从而使得由入射光纤通道6出射的光线经检测通道4内的样品吸收和侧壁的内壁面反射后能够入射到出射光纤通道7中。入射光纤通道6和出射光纤通道7分别与置于其内的光纤相匹配，入射光纤通道6内的光纤的出射端的端面与入射光纤通道6的光线出射口14的端面齐平，出射光纤通道7内的光纤的入射端的端面与出射光纤通道7的光线入射口15的端面齐平。

本实施例中，可将进样通道3、检测通道4和出样通道5的宽度设计为150微米，长度分别设计为1厘米、0.5厘米和1厘米（但不限于该尺寸），进样通道3和出样通道5分别设有进样口12和出样口13；入射光纤通道6和出射光纤通道7的长度可设计约2厘米（但不限于该尺寸）。

将商用多模光纤的一段3-4厘米的保护层剥去，然后采用光纤切割刀将光纤端面切割平整；分别将端面平整的入射光纤8和出射光纤9经光纤插入口16插入到入射光纤通道6和出射光纤通道7中，并使入射光纤通道6内的光纤的出射端的端面与入射光纤通道6的光线出射口14的端面齐平，出射光纤通道7内的光纤的入射端的端面与出射光纤通道7的光线入射口15的端面齐平。入射光纤8和出射光纤9紧贴平板玻璃基片2。

在光纤插入口16处滴加未固化的PDMS作为密封胶，使其渗入光纤与光纤通道的间隙，在85℃的温度下固化30分钟，进一步固定光纤通道内的光纤，同时， PDMS 基片1外侧的入射光纤8和出射光纤9被PDMS固定于平板玻璃基片2的表面。

使用本发明传感器时，将入射光纤8露在微流控芯片外部的部分通过裸光纤适配器与光源10连接，并将出射光纤9露在微流控芯片外部的部分通过裸光纤适配器与光强探测器11连接，采用注射泵注入或负压吸取的方式驱动溶液从进样口12流入进样通道3，依次经由进样通道3、检测通道4、出样通道5，最后由出样通道5的出样口13流出。当溶液充满检测通道4时，光强探测器11记录输出光强的变化，实现对被测样品溶液的吸光度和或折射率的传感。

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。

制备如图2所示的本发明传感器，其中，进样通道3呈“T”型，该进样通道3具有两个进样口12。进样通道3、检测通道4、和出样通道5的宽度为150微米，深度为150微米，长度分别设计为1厘米、0.5厘米和1厘米。入射光纤通道6和出射光纤通道7的宽度为125微米，长度为1厘米；入射光纤通道6的光线出射口14与检测通道4的光线入射口的距离为100微米，检测通道4的光线出射口与出射光纤通道7的光线入射口15的距离为100微米，各通道的深度为150微米。采用外径为125微米、芯径为62.5微米标准多模光纤通作为将本发明传感器的入射光纤8和出射光纤9，通过裸光纤适配器分别相应地与波长为633nm的氦氖激光器（光源10）和光纤光谱仪（光强探测器11）相连。

亚甲基蓝溶液从一个进样口12 经注射泵以1微升/分钟的流速注入进样通道3，依次经进样通道3、检测通道4、出样通道5，最后从出样通道5的出样口13流出。作为参比溶液的蒸馏水经另一个进样口12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 μM的浓度范围内，配制一系列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，如图3所示。得到工作曲线后，便可通过测得未知样品的吸光度，获得其浓度。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0.3 μM，检测池长度为0.5厘米的传统分光光度计测量亚甲基蓝的检出限约为0.4 μM，本发明传感器所需的最小样品体积仅为100纳升左右，实际样品消耗仅为数微升，与传统分光光度计相比，其样品消耗减少了近3个数量级。

以不同折射率乙二醇溶液的折射率检测为例进一步说明此传感器的技术效果。

采用上述如图2所示的具有两个进样口12的本发明传感器，乙二醇溶液从一个进样口12 经注射泵以1微升/分钟的流速注入进样通道3，依次经进样通道3、检测通道4、出样通道5，最后从出样通道5的出样口13流出。作为参比溶液的蒸馏水经另一个进样口12用另一注射泵以相同的流量注入。蒸馏水和乙二醇溶液交替注入，先注入蒸馏水获得原始透射光强，然后注入乙二醇溶液，测得透射光强，并计算归一化的透射率。配制折射率范围在1.33-1.43的一系列不同浓度的乙二醇溶液，按照折射率由低到高的顺序测量透射率，并绘制工作曲线，如图4所示。折射率在1.37-1.40范围内，其检测灵敏度达到4×10^-4,达到或超过目前商用折射率检测仪器的水平。

综上，本发明传感器的结构简单，不仅能够由于吸光度测量还能用于折射率测量。此外，本发明传感器的灵敏与相同检测距离的分光光度计和商用折射率传感器相比都有显著提高，且本发明传感器的实际样品消耗仅为数微升，无论从样品消耗和灵敏度上都可满足临床医学检验，环境监测以及食品安全监测的需要。

Claims (6)

1.一种检测吸光度、折射率的长光程光纤-微流控芯片传感器，其特征是：包括由透明材料制成的微流控芯片，所述微流控芯片的内部设有检测通道（4）、入射光纤通道（6）和出射光纤通道（7）；所述检测通道（4）设有样品入口、样品出口、光线入射口和光线出射口，所述检测通道（4）位于入射光纤通道（6）和出射光纤通道（7）之间且相互间隔，由入射光纤通道（6）出射的光线经检测通道（4）内的样品吸收和侧壁的内壁面反射后能够入射到出射光纤通道（7）中；入射光纤通道（6）和出射光纤通道（7）分别与置于其内的光纤相匹配，入射光纤通道（6）内的光纤的出射端的端面与入射光纤通道（6）的光线出射口（14）的端面齐平，出射光纤通道（7）内的光纤的入射端的端面与出射光纤通道（7）的光线入射口（15）的端面齐平。

2. 根据权利要求1所述的检测吸光度、折射率的长光程光纤-微流控芯片传感器，其特征是: 所述微流控芯片的内部还设有进样通道（3）和出样通道（5），所述进样通道（3）的出样口与所述检测通道（4）的样品入口连通，所述出样通道（5）的进样口与所述检测通道（4）的样品出口连通。

3. 根据权利要求2所述的检测吸光度、折射率的长光程光纤-微流控芯片传感器，其特征是:所述进样通道（3）设有一个以上进样口。

4. 根据权利要求1至3中任一项所述的检测吸光度、折射率的长光程光纤-微流控芯片传感器，其特征是:所述检测通道（4）的样品入口和样品出口设于该检测通道（4）的侧壁上。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的检测吸光度、折射率的长光程光纤-微流控芯片传感器，其特征是: 所述检测通道（4）的侧壁的内壁面垂直于该检测通道（4）的底面。

6.根据权利要求5所述的检测吸光度、折射率的长光程光纤-微流控芯片传感器，其特征是: 所述检测通道（4）的的横截面呈矩形。

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