CN102636457A - 一种微量液体折射率的测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微量液体折射率的测量系统及测量方法，包括激光光源、第一凸透镜、第二凸透镜、第一光学平板玻璃、微流控芯片、第二个光学平板玻璃以及CCD探测器，激光光源发出的准直光穿过第一凸透镜以及第二凸透镜后产生光斑变小的光，以45°角入射到第一光学平板玻璃，产生一路反射光一路折射光，反射光以及折射光中的任一路穿过微流体通道，另一路直接穿过微流控芯片后进入第二个光学平板玻璃，通过第二个光学平板玻璃后会聚在一起并发生干涉形成干涉光信号，CCD探测器探测干涉光信号。本发明的微流控芯片带来分析成本的降低和分析过程产生的废物对环境污染的减小。整个装置具有结构紧凑、体积小、易于维护以及便携等特点。

Description

一种微量液体折射率的测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及液体折射率的测量技术，更具体地说是涉及一种微量液体折射率的测量系统及测量方法。

背景技术

折射率是液体在工农业生产和科学研究中一项重要的计量参数，它是保证产品质量和提高产品产量的重要技术手段。对液体折射率的测量与控制在环境监测、食品质量、制药、疾病诊断等行业中有着广泛的应用。折射率是表征光透明物质光学性质的基本物理量之一，在各种光透明物质中，诸如密度、浓度、温度、应力等物理量的变化，均会引起折射率的相应变化。因此，对折射率的测量方法研究具有重要的实际意义。目前微量液体折射率测量技术系统主要有法布里珀罗干涉测量法，光束偏转法，条纹照相法，光纤波导效应方法，全息探测法以及后向散射干涉法。早在1982年Steven D.Woodruff用细胞流放置在法布里珀罗干涉计里，光以布鲁斯特角入射到细胞流。经过法布里珀罗干涉仪后，干涉信号由光电倍增管探测，然后由记录仪记录信号。这种方法因为需要将待测液体置于法布里珀罗干涉仪里，并且需要严格的角度对准，造成了装置的调节操作困难且不便。为了提高探测灵敏度以及不受光入射角度等的严格限制，Steven D.Woodruff等用双探测的方法来改进，激光通过光学平板玻璃分成两束光，均通过内置细胞流的法布里珀罗干涉仪后分别由两个光电器探测。但是这种方法需要两个探测器，造成系统复杂，结构庞大，成本增加。Janusz等采用渥拉斯顿棱镜将波长633nm激光光源分成两束光，光束通过样品后由光电探测器探测，通过光束经过样品后的偏转来计算样品折射率。探测光的偏转受到环境扰动的影响比较大，造成结果的偏差。光纤波导效应方法是利用光纤传感法的光纤波导效应来测液体折射率的。折射率的改变会引起螺旋形波导的弯曲损失，弯曲损失随着弯曲的半径或者说有效折射率差下降而增加。螺旋形的单模光纤波导在传播方向波导的曲率半径R减少，有效折射率差在传播方向损耗会逐渐地增加，在某一点，光在螺旋形波导中损耗至零。传感器原理就是基于由折射率差增加引起的损耗至零的这个点的移动。光在螺旋形波导传播的长度直接测量折射率差。这种方法需要光波导在液体中，对液体的限制比较大，只能对特定的液体。全息探测法是全息光学元件产生参考和探测光束。光束像扇子一样传输，在远场干涉产生等间隔的条纹，折射率的改变产生条纹的移动。远场干涉的条件造成系统的结构庞大。Bornhop小组发展了后向散射干涉测量法，激光照射一部分通道，用位置敏感传感器或CCD探测条纹的移动，但后向散射法杂散光干扰造成对干涉信号探测灵敏度的下降。

纵上所述，如何获得简便高精度的小型化可便携微量液体折射率测量系统是一大技术难点。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种微量液体折射率的测量系统及测量方法。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

根据本发明的一方面，提供了一种微量液体折射率的测量系统，包括：

激光光源，采用He-Ne激光光源；

望远镜，设于激光光源的前方，所述望远镜包括平行设置的第一凸透镜以及第二凸透镜，所述激光光源沿主光轴穿过第一凸透镜以及第二凸透镜；所述第一凸透镜的后焦点以及第二凸透镜的前焦点重合；

第一光学平板玻璃，设于望远镜的后方，第一光学平板玻璃的第一个面镀膜为40％，第二个面镀膜为100％；穿过望远镜的激光以45°角入射到第一光学平板玻璃，经过第一光学平板玻璃的第一个面产生一路反射光，经过第一光学平板玻璃的第二个面和第一个面产生一路折射光；

微流控芯片，包括盛放待测微量液体的微流体通道，所述反射光以及折射光经第一光学平板玻璃后相互平行；所述反射光以及折射光中的任一路穿过微流体通道，另一路直接穿过微流控芯片；

第二个光学平板玻璃，与所述第一光学平板玻璃相平行；第二光学平板玻璃的第一个面镀膜为40％，第二个面镀膜为100％；穿过微流控芯片的反射光进入第二个光学平板玻璃，折射光由第二个光学平板玻璃的第一个面反射，两光束通过第二个光学平板玻璃后会聚在一起并发生干涉，形成干涉光信号；

CCD探测器，用于探测干涉光信号；

其中，第一凸透镜的焦距与第二凸透镜的焦距之比和激光光源的光斑直径与经过望远镜的激光的光斑直径之比相等；经过望远镜的激光的光斑直径小于微流体通道的宽度。

所述微流体通道的宽度为250μm。

所述第一光学平板玻璃以及第二个光学平板玻璃的厚度均为1mm。

所述微流体通道的高度在100μm以上。

根据本发明的另一方面，还提供了一种微量液体折射率的测量方法，该测量方法的具体步骤为：

A.He-Ne激光光源发出的激光沿主光轴穿过第一凸透镜以及第二凸透镜后产生光斑变小的光；

B.将光斑变小的光以45°角入射到第一光学平板玻璃，其中部分光经过第一光学平板玻璃的第一个面产生一路反射光，部分光折射进入第一光学平板玻璃并在第一光学平板玻璃的第二个面反射到第一个面产生一路折射光；折射光从第一光学平板玻璃内折射到空气中，并与反射光相互平行；

C.反射光以及折射光中的任一路穿过微流体通道，另一路直接穿过微流控芯片；

D.反射光进入第二个光学平板玻璃的第一个面并折射到第二个光学平板玻璃的第二个面后，再反射回第二个光学平板玻璃的第一个面并折射到空气中；折射光由第二个光学平板玻璃的第一个面反射，两光束通过第二个光学平板玻璃后会聚在一起并发生干涉，形成干涉光信号；

E.CCD探测器探测干涉光信号。

所述微流体通道的宽度为250μm。

所述第一光学平板玻璃以及第二个光学平板玻璃的厚度均为1mm。

所述微流体通道的高度在100μm以上。

采用本发明的一种微量液体折射率的测量系统及测量方法，在基于双光束干涉技术中采用光学平板玻璃分光，采用两个平行放置的光学平板玻璃，利用光学可逆原理，巧妙地把分别经过微流体通道和直接经过微流控芯片的两束光会聚在一起，并且平行放置结构，使得第二个光学平板玻璃补偿了第一个光学平板玻璃的光程，这两束光的光程差完全由微流体通道内待测介质不一样造成的，提高了测量结果的精度。

与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：

1、利用透镜组对光源的光斑缩小到小于微流体通道的尺寸，利用光学平板玻璃镀膜反射率的控制得到两束光强接近的准直光，光斑达到几百微米量级，并且两束光相距也是几百微米的距离。

2、采用两个光学平板玻璃组合，利用光学可逆原理，使得两束光会聚在一起发生干涉，不再需要两个探测器分别探测或者是远场干涉条件的限制。

3、两个光学平板玻璃的平行放置，装置为“Z”结构，第二个光学平板玻璃补偿了第一个光学平板玻璃分成两束光产生的光程差，使得参考光和样品光的光程差完全由微流控芯片中经过的介质不同造成，提高了探测的灵敏度；

4、本发明的微量液体折射率的测量系统及测量方法，微流控芯片带来分析成本的降低和分析过程产生的废物对环境污染的减小，整个装置具有结构紧凑、体积小、易于维护以及便携等特点。

附图说明

图1是本发明的一种微量液体折射率的测量系统的原理示意图；

图2是图1中的第一光学平板玻璃的分光示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

请参阅图1所示的一种微量液体折射率的测量系统，包括激光光源11，采用He-Ne激光光源(He-Ne laser，Melles Griot，USA)；

望远镜，设于激光光源11的前方，望远镜包括平行设置的第一凸透镜12(linos Inc.，Qioptiq)以及第二凸透镜13(linos Inc.，Qioptiq)，激光光源11沿主光轴穿过第一凸透镜12以及第二凸透镜13；第一凸透镜12的后焦点即图1中第一凸透镜12的左焦点以及第二凸透镜13的前焦点即图1中第二凸透镜13的右焦点相重合；

第一光学平板玻璃14(Edmund Optics)，设于望远镜的后方，第一光学平板玻璃14的第一个面141镀膜为40％，第二个面142镀膜为100％；穿过望远镜的激光以45°角入射到第一光学平板玻璃14，经过第一光学平板玻璃的第一个面产生一路反射光21，经过第一光学平板玻璃的第二个面和第一个面产生一路折射光22；

微流控芯片15(Swiss Federal Institute of Technology，Lausanne)，是通过微细加工技术将盛放待测微量液体的微流体通道、微泵、微阀、微储液器、微电极、微检测元件、窗口和连接器等功能元器件像集成电路一样，使它们集成在芯片材料(基片)上的微全分析系统。微流控芯片15的面积约为几平方厘米。用于制作本发明的微流控芯片的材料是聚二甲基硅氧烷简称PDMS，主要特征是容纳流体的有效结构如微流体通道为微米级尺度。与宏观尺度的实验装置相比，微流控芯片的微米级结构显著增大流体环境的面积/体积比例，微流控芯片使得分析设备体积减小等性能改善，带来分析成本的降低和分析过程产生的废物对环境污染的减小等优点。微流体通道宽度为250μm，高度为100μm以上，这样探测精度可以达到10-4RIU。反射光21以及折射光22经第一光学平板玻璃14后相互平行；反射光21以及折射光22中的任一路穿过微流体通道，另一路直接穿过微流控芯片；

第二个光学平板玻璃16(Edmund Optics)，与第一光学平板玻璃14相平行；第二光学平板玻璃16的第一个面161镀膜为40％，第二个面162镀膜为100％；穿过微流控芯片15的反射光21进入第二个光学平板玻璃16经第一个面161折射到第二个面162后反射回第一个面161再折射到大气中，折射光22由第二个光学平板玻璃16的第一个面161反射，两光束通过第二个光学平板玻璃后会聚在一起并发生干涉，形成干涉光信号；

CCD探测器17(E2v Inc.，Aviiva SM2 CL2014)，用于探测干涉光信号；CCD探测器17通过显示器可以观察干涉条纹的位置移动测量计算光程差。

其中，第一凸透镜的焦距与第二凸透镜的焦距之比和激光光源的光斑直径与经过望远镜的激光的光斑直径之比相等；经过望远镜的激光的光斑直径小于微流体通道的宽度。

再请参见图2所示，其中第一光学平板玻璃14厚度h为1mm，光以45°角入射到第一光学平板玻璃的第一个面141，一部分反射，一部分入射到玻璃里，到达第二个面142反射回第一个面后部分出射到空气中，则得到了两束分开的平行光，这两束光相距d为756μm，两个面分别镀膜为40％和100％，这两束光的光强分别为入射光的11％和8％。

如果采用光源光斑为1mm的He-Ne激光光源，经过焦距为20mm的第一凸透镜12以及焦距为4.6mm的第二凸透镜后，光源光斑为230μm。经过第一个光学平板玻璃分光后，两高斯光束垂直入射到附在玻璃基底18的微流控芯片15上，其中一束通过有液体的微流体通道，另一束光直接通过微流控芯片。两光束通过微流控芯片后仍以45°角入射第二个同样的光学平板玻璃即第二光学平板玻璃，这两光束通过第二个光学平板玻璃后会聚在一起，发生干涉。在微流体通道平面上的光束光斑为230μm，小于微流体通道250μm的宽度。两个玻璃平行平板是互相平行放置的，且厚度材质等是完全一样的，厚度均为1mm。所以通过两光束的光程差只在微流控芯片上经过不同介质。两光束经过第一个光学平板玻璃后产生的光程差由第二个光学平板玻璃补偿，这样放置方法大大提高了探测灵敏度。

本发明还提供一种微量液体折射率的测量方法，该测量方法的具体步骤为：

A.He-Ne激光光源发出的激光沿主光轴穿过第一凸透镜以及第二凸透镜后产生光斑变小的光；

B.将光斑变小的光以45°角入射到第一光学平板玻璃，其中部分光经过第一光学平板玻璃的第一个面产生一路反射光，部分光折射进入第一光学平板玻璃并在第一光学平板玻璃的第二个面和第一个面产生一路折射光；折射光从第一光学平板玻璃内折射进入大气，并与反射光相互平行；

C.反射光以及折射光中的任一路穿过微流体通道，另一路直接穿过微流控芯片；

D.反射光进入第二个光学平板玻璃的第一个面并折射到第二个光学平板玻璃的第二个面后，再反射回第二个光学平板玻璃的第一个面并折射到空气中；折射光由第二个光学平板玻璃的第一个面反射，两光束通过第二个光学平板玻璃后会聚在一起并发生干涉，形成干涉光信号；

E.CCD探测器探测干涉光信号。

所述微流体通道的宽度为250μm。

所述第一光学平板玻璃以及第二个光学平板玻璃的厚度均为1mm。

所述微流体通道的高度在100μm以上。

本发明公开的一种微量液体折射率的测量系统及测量方法，采用双光束干涉法，CCD探测器通过干涉条纹的位置移动的测量计算光程差，从而精确测定液体折射率。两个光学平板玻璃使得光源分为两束光之后又根据光学可逆原理会聚在一起，避免了双探测器。光学平板玻璃的平行放置使得两束光经过光学平板玻璃分光产生的光程差由第二个光学平板玻璃补偿，提高了探测精度。这种微量液体折射率测量系统结构紧凑，体积小，价廉，便于携带，本发明可广泛用于食品、医药、生物、石化等领域。

需要指出的是，本发明所述的测量系统与本发明所述的测量方法在原理和实现过程上是相同或类似的，故其重复部分在此不再赘述。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的目的，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实质范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (8)

1.一种微量液体折射率的测量系统，其特征在于，包括：

激光光源，采用He-Ne激光光源；

望远镜，设于激光光源的前方，所述望远镜包括平行设置的第一凸透镜以及第二凸透镜，所述激光光源沿主光轴穿过第一凸透镜以及第二凸透镜；所述第一凸透镜的后焦点以及第二凸透镜的前焦点重合；

第一光学平板玻璃，设于望远镜的后方，第一光学平板玻璃的第一个面镀膜为40％，第二个面镀膜为100％；穿过望远镜的激光以45°角入射到第一光学平板玻璃，经过第一光学平板玻璃的第一个面产生一路反射光，经过第一光学平板玻璃的第二个面和第一个面产生一路折射光；

微流控芯片，包括盛放待测微量液体的微流体通道，所述反射光以及折射光经第一光学平板玻璃后相互平行；所述反射光以及折射光中的任一路穿过微流体通道，另一路直接穿过微流控芯片；

第二个光学平板玻璃，与所述第一光学平板玻璃相平行；第二光学平板玻璃的第一个面镀膜为40％，第二个面镀膜为100％；穿过微流控芯片的反射光进入第二个光学平板玻璃，折射光由第二个光学平板玻璃的第一个面反射，两光束通过第二个光学平板玻璃后会聚在一起并发生干涉，形成干涉光信号；

CCD探测器，用于探测干涉光信号；

其中，第一凸透镜的焦距与第二凸透镜的焦距之比和激光光源的光斑直径与经过望远镜的激光的光斑直径之比相等；经过望远镜的激光的光斑直径小于微流体通道的宽度。

2.根据权利要求1所述的微量液体折射率的测量系统，其特征在于：

所述微流体通道的宽度为250μm。

3.根据权利要求1所述的微量液体折射率的测量系统，其特征在于：

所述第一光学平板玻璃以及第二个光学平板玻璃的厚度均为1mm。

4.根据权利要求1所述的微量液体折射率的测量系统，其特征在于：

所述微流体通道的高度在100μm以上。

5.一种微量液体折射率的测量方法，其特征在于：

该测量方法的具体步骤为：

A.He-Ne激光光源发出的激光沿主光轴穿过第一凸透镜以及第二凸透镜后产生光斑变小的光；

B.将光斑变小的光以45°角入射到第一光学平板玻璃，其中部分光经过第一光学平板玻璃的第一个面产生一路反射光，部分光折射进入第一光学平板玻璃并在第一光学平板玻璃的第二个面反射到第一个面产生一路折射光；折射光从第一光学平板玻璃内折射到空气中，并与反射光相互平行；

C.反射光以及折射光中的任一路穿过微流体通道，另一路直接穿过微流控芯片；

D.反射光进入第二个光学平板玻璃的第一个面并折射到第二个光学平板玻璃的第二个面后，再反射回第二个光学平板玻璃的第一个面并折射到空气中；折射光由第二个光学平板玻璃的第一个面反射，两光束通过第二个光学平板玻璃后会聚在一起并发生干涉，形成干涉光信号；

E.CCD探测器探测干涉光信号。

6.根据权利要求5所述的微量液体折射率的测量方法，其特征在于：

所述微流体通道的宽度为250μm。

7.根据权利要求5所述的微量液体折射率的测量方法，其特征在于：

所述第一光学平板玻璃以及第二个光学平板玻璃的厚度均为1mm。

8.根据权利要求5所述的微量液体折射率的测量方法，其特征在于：

所述微流体通道的高度在100μm以上。

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