CN102954938A - 基于微流控通道全反射集成光波导的吸收光度检测传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微流控通道全反射集成光波导的吸收光度检测传感器，涉及传感器技术。采用化学沉积方法在微流控通道内选择性制备光学全反射薄膜，可实现微流控光学检测中光线的传输通道与检测通道的完整集成。特定波长的光线经过入射光波导进入吸收池，在吸收池内沿着液芯光波导传播并被待测溶液部分吸收，最后经出射光波导射入硅光二极管，完成光度检测。本发明的传感器，实现了光波导在微流控芯片上的原位制备，大幅度提高了基于微流控技术的吸收光度法检测芯片的集成度和可靠性，对于基于微流控光学检测的荧光法、化学发光法的发展具有重要借鉴意义。

Description

基于微流控通道全反射集成光波导的吸收光度检测传感器

技术领域

本发明涉及一种基于微流控通道全反射集成光波导的吸收光度检测传感器，特别涉及一种采用化学沉积方法在微流控通道内选择性制备光学全反射薄膜，以及微流控光学检测中光线的传输通道与检测通道的完整集成制造方法。

背景技术

微流控芯片自从20世纪90年代初首次提出以来的20年里得到了迅速发展，从最初的毛细管电泳芯片到芯片实验室，被自然杂志评为“这一世纪的技术”，已经在更高的层面被学术界和产业界所认识。微流控分析中应用最广泛、最有效的方法是光谱检测方法，其中包括荧光、分子吸收、化学发光及质谱检测。紫外-可见分光光度法不但可以进行定量分析，还可以对被测物质进行定性分析和结构分析，进行官能团鉴定、相对分子质量测定、配合物的组分及稳定常数的测定。然而，目前无论是实验室检测方法，还是商用检测仪，都需要结合光学检测和分析设备或部件(如分光光度计)来实现，造成体积庞大、试剂消耗量大、功耗高、设备成本和运行成本较高。便携式测量以及微型在线检测设备是解决上述问题的有效方案，其中便携式测量可以通过人工携带仪表进入特殊环境进行现场检测，而微型在线检测设备可以省掉大型设备所需的检测房站等相关设施。如果能将微流控技术与分光光度法相结合，可以充分发挥二者的优势，可以大幅度提高微流控光学在各个领域内的广泛应用。光学检测设备的微型化是实现便携式测量和微型在线检测的关键。

随着光电技术的不断发展，光源及光电检测方法和技术已经基本能够支持基于光度法的微流控检测。然而，要想在微米级微通道内实现吸收光度检测，检测池(吸收池)的吸收光程和光通量均受到很大的限制。通过微加工技术加大微通道的深度和宽度受芯片原始尺寸和加工技术自身能力的约束，只能小幅度增加吸收光程；使用多层夹心结构来增加光程，只可以达到几百微米；即使采用镜面反射及平面光波导技术，也最多能把光程提高到毫米级，对吸收池光程的提高均很有限。将光波导材料集成到微流控芯片是一个有效的解决途径，Chang-Yen和Lien等人采用软光刻技术将光波导材料集成到微流控芯片上，并进行了集成前精密对准的研究。浙江大学化学系方群教授将石英毛细管外表面涂覆特富龙材料，并在两端涂覆黑色油漆以实现避光处理，制备了液芯光波导，并把它插入采用微加工技术制备的“T”型微通道连接口，实现了一种新的长吸收光程检测方法，有效光程达到15mm，大幅度提高了光度检测的灵敏度。Datta等人在图形化后的硅和玻璃表面旋涂特氟隆材料，Guo等人采用在具有微通道的PDMS表面旋涂特氟隆材料，然后再将旋涂后的材料键合到另一片衬底上。这种旋涂方法可以在微通道内制备光波导，然而，由于涂特氟隆后的材料表面很难与玻璃等材料键合，因此需要采用在330度下物理刮除，微通道内表面受到较严重损伤。

在微流控吸光检测芯片上，增加吸收光程其实就是增加光线吸收通路的长度，如能找到一种无需增加外部部件、无需采用手动或自动组装，而是在微通道内选择性对通道内壁进行一定长度范围内的修饰处理，形成与芯片完全一体化的集成光学通路，则可以较容易地在在微流控芯片平面方向提高吸收光程、大幅度提高芯片的可靠性和集成化，解决微流控光学检测中微流体芯片与光学通路集成化的瓶颈问题。

银氨溶液与乙醛在60-80℃时发生氧化还原反应，银氨络合物的银离子被还原成金属银，附着在容器内壁上形成一层光亮如镜的金属银。受银镜反应的启发，可以通过控制银氨溶液流体流动以及温度，来实现微通道内部不同区域的化学镀。可以通过控制反应溶液的浓度来控制光通路以及吸收检测波导处薄膜镀层的厚度。该方法可以有效解决微流控芯片上内部通道的原位修饰，形成一个全镜面反射的集成光波导结构。该方法在光波导芯片制备过程中无需采用另外加工部件，无需精密组装，为微流控芯片在光学传输及检测等方面提供了一条新的、有效的方案，为微流控光学检测在生化分析、环境检测等方面的应用提供了更加便捷的途径。目前该方法在国际上还没有报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于微流控通道全反射集成光波导的吸收光度检测传感器，为基于微流控集成光学检测的荧光法、化学发光法以及吸收光度法的发展提供一条新的、有效的方案。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种基于微流控通道全反射集成光波导的吸收光度检测传感器，包括微型入射单元、吸收单元、检测单元、衬底；其衬底，包括上衬底、下衬底，其中，下衬底上表面设有三条独立凹槽，三条凹槽位于同一条直线上，共中心轴，但互不相连；左边凹槽的左端通左外侧，呈喇叭状，为光源接口，右端、及左端靠内，分别反方向垂直设有条形短槽；中间一字型凹槽的左、右端，分别反方向垂直设有条形短槽；右边凹槽的左部为条形，右部为扩大的腔室，腔室右端通右外侧，为二极管接口，右边凹槽的左端、及条形与腔室的结合处，分别反方向垂直设有条形短槽；

上衬底与下衬底的外形相适配，叠置时，上衬底上相对下衬底上垂直侧向条形短槽的外端头处，分别设有垂直的贯通孔；

上衬底下表面与下衬底上表面固接后，各贯通孔分别与三条凹槽形成的通道相连通，则：

左边凹槽与两贯通孔：第一化学镀入口、第一化学镀出口构成入射光通路；中间凹槽与两贯通孔：待测样品入口、待测样品出口构成吸收光通路；右边凹槽与两贯通孔：第二化学镀入口、第二化学镀出口构成出射光通路；

入射光通路、吸收光通路、出射光通路内壁面覆有反射层；

入射光通路左端光源接口与LED光源密封性连接后，即为入射单元；吸收光通路为吸收单元；出射光通路右端二极管接口与检测二极管密封性连接后，即为检测单元；

上衬底、下衬底用透明材料制作。

所述的集成光波导的吸收光度检测传感器，其所述三条通道，为三条独立的微流控通道，通道深度20-500μm，宽度50-2000μm。

所述的集成光波导的吸收光度检测传感器，其所述透明材料，为PDMS，或石英玻璃；反射层，为银或铜层。

一种所述的集成光波导的吸收光度检测传感器制作方法，包括步骤：

a)采用MEMS加工技术，通过腐蚀、软光刻的方法，在下衬底上表面上制作三条独立的z形凹槽，三条z形凹槽的中间条形槽位于同一条直线上，共中心轴，但互不相连；

b)上衬底上，正对侧向凹槽的外端处，各打一通孔，成六个通孔；

c)将上、下衬底键合为一体，形成入射光通路、吸收光通路、出射光通路三条微流控通道；然后：

d)将镀液配好，零上4度短期存放；

e)用多位进样阀和微量注射器泵，在微管中制备空气-镀液-空气的混合进样序列；

f)将微管的端头，分别顺序经第一化学镀入口、第二化学镀入口、待测样品入口与三条微流控通道相连通；

g)分别顺序将d)步的镀液与还原剂乙醛混合注入三条微流控通道内，在显微镜下确定微流控通道内的待镀选区，并观察镀液到达待镀区域后，进样系统保持所在位置；

h)将传感器芯片放置于热板上，加热热板到60-80℃，发生化学镀反应，完成三条微流控通道内的化学镀，形成反射镀层；

i)再以干净微管的端头分别顺序经第一化学镀入口、第二化学镀入口、待测样品入口与三条微流控通道相连，通入去离子水和空气清洗烘干微流控通道，得成品。

所述的检测传感器制作方法，其所述d)步中的镀液为银氨溶液([Ag(NH₃)₂]OH·xH₂O)，或铜氨溶液(Cu(NH₃)₄SO₄)，其配比是公知的。

所述的检测传感器制作方法，其所述e)步中的“空气-镀液-空气”，镀液段的长度为1000-5000μm，空气段的长度为500-2000μm；微管直径50-200μm。

所述的检测传感器制作方法，其所述g)步中的待镀选区，为预先设定要覆镀膜的区域，是通过控制镀液段和空气段的长度，在通入镀液后具有镀液的区域。

所述的检测传感器制作方法，其所述h)步中的反射镀层的厚度，是通过调解镀液浓度，或通过多次同位置电镀来控制镀层厚度。

本发明的光学传感器，具有如下优点：

1、光波导在微流控芯片的原位集成。该传感器的光波导制备方法采用化学镀银镜反应原理，结合微流体定点位置控制方法，可以在微流体通道内选择区间进行反应，可以实现光线入口、反应池吸光检测通道、光电接收检测通道光波导的精密对准。

2、片上分析系统。通过光波导在微流控芯片的原位制备技术，以及光学单元的集成化方法，可将基本功能单元全部集成在芯片上，实现真正意义上的片上系统，对吸光光度法以及其他光学检测方法朝着便携式仪表方向的发展具有积极意义。

3、便携式仪表。基于全反射集成光波导微流控芯片的吸收光度法有望将实验室手工操作方法和在线大型检测设备朝着微型化、集成化、便携式的方向发展。

4、本发明基于微流控通道全反射集成光波导的光学传感器，可用于在疾病诊断、药物筛选、环境监测、食品安全、司法鉴定等。

附图说明

图1是本发明的基于微流控通道全反射集成光波导的吸收光度检测传感器芯片结构示意图(俯视图)；

图2是本发明的基于微流控通道全反射集成光波导的吸收光度检测传感器芯片结构示意图(侧视图)；

图3是本发明的基于微流控通道全反射集成光波导的吸收光度检测传感器芯片的加工流程图；

图4是本发明中的微流控通道化学镀方法示意图。

具体实施方式

本发明是一种基于微流控通道全反射集成光波导的吸收光度检测光学传感器，在微流控通道内用化学沉积方法选择性制备光学全反射薄膜，并将微流控光学检测中光线的传输通道与检测通道完整的集成在一起。

通过在微流控芯片原位制备光波导，将微流控光学检测中光线的传输通道与检测通道完整集成，并通过把LED光源芯片与光电检测芯片集成于微流控芯片，解决了微流控光学检测中微流体芯片与光学通路集成化的瓶颈问题。本发明的一种基于微流控通道全反射集成光波导的吸收光度检测光学传感器，包括微型入射单元、吸收单元和检测单元构成。芯片从结构上是由上衬底下衬底两部分组成。

集成式微型吸收光度检测传感器芯片由上衬底下衬底键合在一起，其中下衬底上表面通过腐蚀的方法加工出入射光通路、吸收光通路、出射光通路三条独立的微通道。上衬底和下衬底都可以选择PDMS、石英玻璃等材料。光通道深度20-500μm，宽度为50-2000μm。

入射单元由化学镀入口和化学镀出口构成，芯片左侧面为LED光源接口；出射单元，其特征在于该单元由化学镀入口和化学镀出口构成，芯片右侧面为硅光二极管接口；吸收单元为“Z”字型结构，由待测样品入口和待测样品出口组成，待测样品入口和出口也分别作为化学镀入口和出口

入射单元、吸收单元和检测单元内部光波导都通过选区化学镀的方法完成，镀层材料可以选择银、铜等。化学镀采用类似银镜反应，通过高精度选向阀和精密注射器泵形成“气体-液体-气体”的分段序列注入微流控通道，并将芯片环境加热到60-80摄氏度完成微流控通道内的化学镀银镜反应。

本发明所提出的基于集成光波导的吸收光度检测传感器的制备过程如下：

1、采用MEMS加工技术，通过腐蚀、键合的方法完成微流控芯片的加工，也可以采用软光刻的方法，使用PDMS作为微流控芯片的衬底；

2、配置银氨溶液或铜氨溶液作为镀液，零上4度短期存放；

3、采用多位进样阀和微量注射器泵精确控制镀液进入待镀微流控通道区域，在显微镜下观察达到待镀区域后，进样系统保持所在位置，实现具有空气-镀液-空气的混合进样序列，加热到60-80摄氏度，使其完成化学镀反应后，实现微流控通道内的选区化学修饰，之后排出剩余废液；

4、继续通入去离子水和空气清洗烘干微沟道，彻底清洗微通道；

5、可以通过调解镀液浓度来控制镀层厚度，也可以通过多次同位置电镀来实现。

基于微流控通道全反射集成光波导的吸收光度检测方法如下：

1、具有特定波长的LED光源光线经过入射单元的入射光波导进入吸收光波导；

2、光线在具有待测液体的光波导通道内一部分光被待测物质吸收，剩余的光线进入检测光波导；

3、进入检测光波导的光线摄入硅光二极管敏感表面形成电流，该电流反映了被吸收后的光线的强度。

针对在微流控芯片集成光学检测当中微米级尺度上光学信号传输与检测方法复杂这一瓶颈问题，本发明的光学传感器，提出一种基于微流控通道全反射集成光波导的光学检测方法。通过在微流控通道内选择性化学沉积光学全反射薄膜，实现微流控光学检测当中光传输通道与检测通道的完整集成，对基于微流控集成光学检测的荧光法、化学发光法以及吸收光度法的发展提供一条新的、有效的方案。

实施例1：

总氮检测。将220、275nm双波长的紫外LED光源集成安装到光源接口，并将对该双波长光线敏感的硅光二极管集成安装到检测单元接口，将经过热消解或紫外辅助消解的水样经待测样品入口通入“Z”字型结构吸收单元。开启LED光源，光线经过入射光波导进入充有待测水样的吸收区，并经过吸收区光波导，光线被硝酸根溶液部分吸收，吸收量与硝酸根的浓度成正比。吸收后的光线经过出射光波导射入硅光二极管，硅光二极管在光电效应作用下产生与光强成正比的电流，实现两个波长下的吸光值检测，并通过公式As＝As220(220波长下的吸光值)-2As275(275波长下的吸光值)，实现总氮吸收值(As)的检测。

实施例2：

总磷检测。将700nm波长的LED光源集成安装到光源接口，并将对该波长光线敏感的硅光二极管集成安装到检测单元接口，将经过热消解或紫外辅助消解的水样在与显色剂反应之后，经待测样品入口通入“Z”字型结构吸收单元。开启LED光源，光线经过入射光波导进入充有待测水样的吸收区，并经过吸收区光波导，光线被硝酸根溶液部分吸收，吸收量与磷酸根的浓度成正比。吸收A的光线经过出射光波导射入硅光二极管，硅光二极管在光电效应作用下产生与光强成正比的电流，实现总磷吸收值的检测。

Claims (8)

1.一种基于微流控通道全反射集成光波导的吸收光度检测传感器，包括微型入射单元(1)、吸收单元(2)、检测单元(3)、衬底；其特征在于，衬底，包括上衬底(4)、下衬底(5)，其中，下衬底(5)上表面设有三条独立凹槽，三条凹槽位于同一条直线上，共中心轴，但互不相连；左边凹槽的左端通左外侧，呈喇叭状，为光源接口(11)，右端、及左端靠内，分别反方向垂直设有条形短槽；中间一字型凹槽的左、右端，分别反方向垂直设有条形短槽；右边凹槽的左部为条形，右部为扩大的腔室，腔室右端通右外侧，为二极管接口(14)，右边凹槽的左端、及条形与腔室的结合处，分别反方向垂直设有条形短槽；

上衬底(4)与下衬底(5)的外形相适配，叠置时，上衬底(4)上相对下衬底(5)上垂直侧向条形短槽的外端头处，分别设有垂直的贯通孔；

上衬底(4)下表面与下衬底(5)上表面固接后，各贯通孔分别与三条凹槽形成的通道相连通，则：

左边凹槽与两贯通孔：第一化学镀入口(9)、第一化学镀出口(10)构成入射光通路(6)；中间凹槽与两贯通孔：待测样品入口(15)、待测样品出口(16)构成吸收光通路(7)；右边凹槽与两贯通孔：第二化学镀入口(12)、第二化学镀出口(13)构成出射光通路(8)；

入射光通路(6)、吸收光通路(7)、出射光通路(8)内壁面覆有反射层；

入射光通路(6)左端光源接口(11)与LED光源密封性连接后，即为入射单元(1)；吸收光通路(7)为吸收单元(2)；出射光通路(8)右端二极管接口(14)与检测二极管密封性连接后，即为检测单元(3)；

上衬底(4)、下衬底(5)用透明材料制作。

2.如权利要求1所述的集成光波导的吸收光度检测传感器，其特征在于，所述三条通道，为三条独立的微流控通道，通道深度20-500μm，宽度50-2000μm。

3.如权利要求1所述的集成光波导的吸收光度检测传感器，其特征在于，所述透明材料，为PDMS，或石英玻璃；反射层，为银或铜层。

4.一种如权利要求1所述的集成光波导的吸收光度检测传感器制作方法，包括步骤：

a)采用MEMS加工技术，通过腐蚀、软光刻的方法，在下衬底(5)上表面上制作三条独立的z形凹槽，三条z形凹槽的中间条形槽位于同一条直线上，共中心轴，但互不相连；

b)上衬底(4)上，正对侧向凹槽的外端处，各打一通孔，成六个通孔；

c)将上(4)、下衬底(5)键合为一体，形成入射光通路(6)、吸收光通路(7)、出射光通路(8)三条微流控通道；其特征在于，然后：

d)配置镀液，零上4度短期存放；

e)用多位进样阀和微量注射器泵，在微管中制备空气-镀液-空气的混合进样序列；

f)将微管的端头，分别顺序经第一化学镀入口(9)、第二化学镀入口(12)、待测样品入口(15)与三条微流控通道(6、7、8)相连通；

g)分别顺序将d)步的镀液与还原剂乙醛混合注入三条微流控通道(6、7、8)内，在显微镜下确定微流控通道内的待镀选区，并观察镀液到达待镀区域后，进样系统保持所在位置；

h)将传感器芯片放置于热板上，加热热板到60-80℃，发生化学镀反应，完成三条微流控通道内的化学镀，形成反射镀层；

i)再以干净微管的端头分别顺序经第一化学镀入口(9)、第二化学镀入口(12)、待测样品入口(15)与三条微流控通道相连，通入去离子水和空气清洗烘干微流控通道，得成品。

5.如权利要求4所述的检测传感器制作方法，其特征在于，所述d)步中的镀液为银氨溶液[Ag(NH₃)₂]OH·xH₂O或铜氨溶液Cu(NH₃)₄SO₄，其配比是公知的。

6.如权利要求4所述的检测传感器制作方法，其特征在于，所述e)步中的“空气-镀液-空气”，镀液段的长度为1000-5000μm，空气段的长度为500-2000μm；微管直径50-200μm。

7.如权利要求4所述的检测传感器制作方法，其特征在于，所述g)步中的待镀选区，为预先设定要覆镀膜的区域，是通过控制镀液段和空气段的长度，在通入镀液后具有镀液的区域。

8.如权利要求4所述的检测传感器制作方法，其特征在于，所述h)步中的反射镀层的厚度，是通过调解镀液浓度，或通过多次同位置电镀来控制镀层厚度。

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