CN103512862A - 一种基于信号差分检测的光学微流控芯片及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于信号差分检测的光学微流控芯片及测试方法，其特征在于：在微流槽中承载待测样品和标准样品，将待测样品和标准样品的测试信号进行差分运算，从而有效消除光源波长漂移和温度漂移等因素所导致的测试误差，从而提高测试精度。

Description

一种基于信号差分检测的光学微流控芯片及测试方法

技术领域

本发明涉及微流控芯片中气体和液体样品(例如蛋白质、DNA、抗原、抗体等)的折射率测试，可应用于环境监测、化学分析和生物医学等领域。

背景技术

有害气体检测在环境保护方面具有重要应用，液体检测则在生物医学领域有着重要应用。微流控芯片可以作为承载气体和液体样品的理想通道；并且，其体积小，可以实现微量检测，促进分析仪器的微型化、集成化和便携化。

折射率是反映气体和液体性质的一个重要参数，测试样品的折射率就可以获知样品的类型和浓度等相关信息；并且光学传感器具有抗干扰能力强和响应快的特点。因此，目前广泛采用光学传感器对微流控芯片中的样品进行折射率测量。Kobori等人(J.Am.Chem.Soc.，2004，126：557)利用表面等离子体共振传感器(SPR)对双链DNA进行检测。Liang等人(Appl.Phys.Lett.，2005，86：151122)利用光纤光栅传感器对异丙醇的折射率进行测量。Guo等人(Appl.Phys.Lett.，2011，98：041104)利用两根光纤端面构成的Fabry-Perot腔，对腔内液体的折射率进行测试。我们提出了一种具有集成光学谐振腔的微流控芯片传感器(Appl.Phys.Lett.，2012，100：233705)，通过提高谐振腔的品质因子，从而大幅提高传感器的分辨率。

但是受温度变化、光源波长漂移、以及光电探测噪声等的影响，上述传感器的测试灵敏度较差(分辨率只能达到10^-6折射率单元)。因此设计研发新的器件结构和测试方法，提高传感器的分辨率是目前亟需解决的问题。

将待测样品和标准样品的测试信号进行差分和减法运算，能有效消除光源波长和温度的漂移所导致的测试误差。因此，设计新的器件结构和测试系统，实现光信号或电信号的差分，从而大幅提高测试精度，这是本发明的创研动机。

发明内容

本发明旨在解决上述传感器的测试精度问题，提出“一种基于信号差分检测的光学微流控芯片及测试方法”，通过将待测样品和标准样品的测试信号进行比较和减法运算，实现强的抗干扰、抗光源波长漂移和抗系统温漂的能力，具备高的分辨率和稳定性。

本发明的光信号差分测试原理如图1所示，两个微流槽分别承载着待测样品和标准样品，两束探测光分别经过这两个微流槽；然后这两束光合为一束实现二者的干涉叠加；最后进入光电探测器。

本发明的电信号差分测试原理如图2所示，两个微流槽分别承载着待测样品和标准样品，两束探测光分别经过这两个微流槽；然后分别经过光电探测器转换为电信号，接着进行两个电信号的差分运算。

所述的探测光可以由单个激光器输出的光经过分光而成。

所述的探测光经过的路线简称“光程”，光程中可以插入光学相位调制器和幅度调制器。

所述的光学相位调制器(如LiNbO₃调制器)可以通过施加电场、磁场或压力等改变调制器的折射率，从而改变经过调制器的光束相位。

所述的光学幅度调制器包括光放大器和光衰减器。

所述的测试仪利用相位和幅度调制器，分别调节两束探测光的相位差和强度比值，从而获得最佳的干涉相消效果，有效抵消光源波长和温度的漂移所导致的测试误差。

所述的微流槽数目可以多于两个，用于承载不同的待测样品和标准样品；相应的探测光束的数目和微流槽数目一致，即每个微流槽对应一个探测光束。

所述的微流槽可以只有一个，利用微流槽的不同部分承载不同的样品；相应的探测光束的数目和样品数目一致(每个样品区域对应一个探测光束)。

所述的微流槽可以在其表面或内部镀光学薄膜(如Si、Ta₂O₅、SiN_x、SiO₂等)，调节光束相位，优化两束光的干涉相消效应(如图3)。

附图说明

附图，其被结合入并成为本说明书的一部分，示范了本发明的实施例，并与前述的综述和下面的详细描述一起解释本发明的原理。

图1为基于光信号差分的测试方法。

图2为基于电信号差分的测试方法。

图3为在微流槽的表面或内部镀光学薄膜的微流控芯片结构。

图4为基于光信号差分的另一种测试步骤。

具体实施方式

为使得本发明的技术方案更加清晰，以下结合测试方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

例1

首先，选用一个包含两个微流槽(槽A和槽B)的微流控芯片(如图1)。

其次，利用一个光纤分束器将一个激光器的输出光分成两束，经过调制器和透镜后分别入射到槽A和槽B上；经过槽、透镜和合波器，两束光合为一束，进入光电探测器(如图1)。

然后，将标准样品注入槽A和槽B中。调节光路中的相位调制器，使得到达C处的两束探测光的相位差为180度的奇数倍；调节光路中的光学幅度调制器，使得到达C处的两束光幅度相等。此时，两束光在C处完全干涉相消，进入光电探测器的光强接近零。由于波长漂移和温度漂移对两束探测光的影响一致，二者的干涉相消能有效抵消漂移所导致的测试误差。

最后，将待测样品和标准样品分别注入槽A和槽B中，由于两种样品的折射率存在差异，改变了经过微流槽后的光束强度(Appl.Phys.Lett.，2012，100：233705)，导致到达C处的两束光的强度不同。此时，不满足完全干涉相消的条件，进入光电探测器的光强增大。因此，通过测试C处的光强大小，就可以获知待测样品和标准样品的折射率差异，从而求出待测样品的折射率值。

例2

首先，选用一个包含两个微流槽(槽A和槽B)的微流控芯片(如图2)。

其次，利用一个光纤分束器将一个激光器的输出光分成两束，经过调制器和透镜后分别入射到槽A和槽B上；经过槽和透镜，两束光分别进入光电探测器转换成电信号，接着进行两个电信号的差分运算(如图2)。

然后，将标准样品注入槽A和槽B中。调节幅度调制器，使得进入光电探测器的两束光的强度相等，从而电信号差分结果为零。波长漂移和温度漂移对两个信号的影响是一致的，因此两信号的差分相减能有效抵消漂移所导致的测试误差。

最后，将待测样品和标准样品分别注入槽A和槽B中，由于两种样品的折射率存在差异，改变了透过微流槽的光强度(Appl.Phys.Lett.，2012，100：233705)，导致进入光电探测器的两束光强度不同。此时，电信号的差分运算不为零。因此，通过测试差分后的电信号大小，就可以获知待测样品和标准样品的折射率差异，从而求出待测样品的折射率值。

例3

首先，选用一个包含两个微流槽(槽A和槽B)的微流控芯片，其中槽A的底部镀了光学厚度为半个波长奇数倍的SiO₂介质膜(图4)。

其次，利用一个光纤分束器将一个激光器的输出光分成两束，经过透镜后分别入射到槽A和槽B上；经过槽、透镜和合波器，两束光在C处合为一束，接着进入光电探测器(如图4)。

然后，调节光路中的相位调制器，使得到达C处的两束探测光的相位差为180度的奇数倍；调节光路中的光学幅度调制器，使得到达C处的两束光的幅度相等。此时，两束光在C处实现干涉相消，使得进入光电探测器的光强接近零。波长漂移和温度漂移对两束探测光的影响一致，二者的干涉相消能有效消除漂移所导致的测试误差。

最后，将待测样品和标准样品分别注入槽A和槽B中，由于两种样品的折射率存在差异，改变了光程，导致到达C处的两束光的相位差偏离180度的奇数倍。此时，不满足完全干涉相消的条件，进入光电探测器的光强增大，并且光强值随着样品的折射率差值变化。因此，通过测试C处的光强大小，就可以获知待测样品和标准样品的折射率差异，从而求出待测样品的折射率值。

综上所述，本发明提供的微流控芯片及其测试方法，通过引入光学相位和幅度调制器，实现测试信号的干涉和差分，有效消除光源波长和温度的漂移所导致的测试误差，从而大幅提高测试的精度。

以上所述是本发明应用的技术原理和具体实例，依据本发明的构想所做的等效变换，只要其所运用的方案仍未超出说明书和附图所涵盖的精神时，均应在本发明的范围内，特此说明。

Claims (9)

1.一种基于信号差分检测的光学微流控芯片及测试方法，其特征在于：在微流槽中承载待测样品和标准样品，将待测样品和标准样品的测试信号进行差分运算，从而消除光源波长漂移和温度漂移所导致的测试误差，从而提高测试精度。

2.权利要求1所述的信号差分检测，包括光信号和电信号的差分检测。

3.权利要求2所述的光信号差分检测，是利用两束探测光分别通过承载着待测样品和标准样品的微流槽，然后这两束光合为一束利用干涉效应实现差分检测。

4.权利要求2所述的电信号差分检测，是利用两束探测光分别通过承载着待测样品和标准样品的微流槽，然后分别经过光电探测器转换为电信号，接着进行两个电信号的差分运算。

5.权利要求3和4所述的检测方法，利用光学相位和幅度调制器分别调节探测光的相位和强度，从而调节信号差分效果。

6.权利要求5所述的光学相位调制器可以通过施加电场、磁场或压力改变调制器的折射率，从而改变经过调制器的光束相位。

7.权利要求5所述的光学幅度调制器包括光放大器和光衰减器。

8.权利要求3和4所述的探测光可以由单个激光器输出的光经过分光而成。

9.权利要求1所述的微流槽，可以通过在其表面或内部镀光学薄膜，调节光束相位，优化光束的干涉效应。

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