CN103920545B - 基于pdms芯片的微流体可调谐光学滤波器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种光学检测技术领域的基于PDMS芯片的微流体可调谐光学滤波器及其制作方法，包括：自发辐射光源、带有双微通道的PDMS微流体芯片、光谱仪以及两组独立工作的注射泵，微流体芯片的光入射端和出射端分别与自发辐射光源和光谱仪通过耦合光纤相连，微流体芯片的第一和第二流体注入端分别与两组独立工作的注射泵相连；本发明丁字型通道结构在注入液体时，其所需注液压力小，液体不容易发生喷溅，性能稳定；两种液体在水平通道上开始扩散互混，在纵向产生的液体折射率梯度明显，灵敏度高等优点。本发明可在光流控芯片中集成，方便应用到生物及环境实时监测中方便取样而不影响干涉曲线的观测和记录，并且利于层流的稳定性，得到更稳定的信号。

Description

基于PDMS芯片的微流体可调谐光学滤波器及其制作方法

技术领域

本发明涉及的是一种光学设备技术领域的器件及方法，具体是一种基于PDMS(聚二甲基硅氧烷)芯片的微流体可调谐光学滤波器及其制作方法。

背景技术

光流控是光学和微流控技术的结晶。与传统固体器件相比，微流体光学器件具有尺寸微型化、调谐多样化、可集成性等优点，因此微流体器件也被称为光学芯片或芯片实验室(Lab ona chip)。其微分析系统使用的样品试剂量极少、分辨率和灵敏度高、成本低、分析时间短，可广泛用于化学、生物、医学的检测分析以及光学和信息处理。微流体光学芯片可以以某种生物化学成分为基元，以光学信息为载体，对目标检测物进行高选择性和高灵敏度的检测。它不仅促进集成光学的发展，也对分析仪器提供了更多更便携化的功能。

微流控技术是在百十个微米或以下尺度的液体通道中操控微量(纳升甚至飞升)液体的加工处理方法。因其优越的特点，已悄然成为一个新兴独特的研究领域。在这个尺度上，液体的特性以及相应的物理现象会有质的变化。进行两相甚至多相流的操控是微流体系统的另一优点，在连续的液相流中产生和操控单分散体的气泡或者液体，多相流的操控提供了产生聚合物颗粒、乳胶液和泡沫的新机制。微流控分析系统中所需的试剂和样品极少，特别当实验中涉及到生物有毒物质时，可以有效减少废液带来的污染。传统的基于波导器件的生化传感器，通常对气体、液体、生物大分子等进行检测时，利用待分析样本浓度的变化或免疫反应的改变波导包覆层的折射率，被光波的倏逝场所感应，引起导波层光波导模式有效折射率的变化，通过测量这个变化量可以得知待测物质的信息。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN101699329A，授权公告日2011‐01‐05，记载了一种基于电润湿技术的光流体滤波器，采用液滴驱动单元和法布里‐珀罗滤波单元。其中第一级滤波系统液滴驱动单元由控制电极、接地电极、底部玻璃板、顶部玻璃板、液体层和绝缘层组成；通过电压来控制液滴和疏水层间的接触角及不同侧的表面张力，采用染料液滴作为滤波物质，利用几级液滴驱动单元叠加以达到合适的带宽和透过/吸收比。结合法布里‐珀罗腔可进行滤波范围调谐。但该结构设计繁琐，需采用染料液滴，使用高压电极进行电驱动，并且在芯片上制作电极工艺复杂，因此不适于在微流控芯片中集成。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于PDMS芯片的微流体可调谐光学滤波器及其制作方法，通过控制微流体通道中液体间的层流来调谐的微流体芯片。利用两种不同折射率液体界面之间的扩散、液体浓度及流速的控制产生可调谐的折射率梯度分布，由此导致双臂光程差的变化对干涉仪进行调谐，从而达到光学滤波的目的。本发明结构简化，可在光流控芯片中集成，方便应用到生物及环境实时监测中方便取样而不影响干涉曲线的观测和记录。另外，这种新型双臂结构的设计也有利于层流的稳定性，得到更稳定的信号。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于PDMS芯片的微流体可调谐光学滤波器，包括：自发辐射光源、带有双微通道的PDMS微流体芯片、光谱仪以及两组独立工作的注射泵，其中：微流体芯片的光入射端和出射端分别与自发辐射光源和光谱仪通过耦合光纤相连，微流体芯片的第一和第二流体注入端分别与两组独立工作的注射泵相连。

所述的自发辐射光源通过掺铒光纤放大器放大，其波长范围为1528nm‐1573nm。

所述的微流体芯片包括：分别位于光入射端和出射端的空气凹透镜以及两条带有注入端和输出端且相互连通的液体微通道，其中：液体微通道平行设置于空气凹透镜之间且中部设有隔断部分。

所述的注射泵内分别装有两种不同液体，该注射泵与步进电机相连且注射精度为0.1μL/min。

所述的隔断部分的长度为300μm，最大宽度为30μm。

所述的液体微通道的宽度为125μm，深度为125μm，长度为1mm。

所述的微流体芯片内左右两端设有宽度为128μm的方形截面光纤槽，使得插入导光光纤后光纤出射端口和会聚端口离空气凹透镜的距离在200μm。

所述的耦合光纤采用纤芯直径为9μm、外径为125μm的单模光纤，光纤的数值孔径为0.14。

所述的光谱仪的分辨率是0.02nm。

本发明涉及上述系统的制备方法，包括以下步骤：

1)采用光刻的方法制备出带有微通道凸结构的阳模，将PDMS浇注于阳模模板上，然后进行加热固化处理。

所述的阳模通过AutoCAD设计出PDMS微流体芯片中的微结构，采用图形发生器把设计版图上的微结构转移到高精度的光掩模板上；在3英寸厚的硅片上均匀甩涂上SU‐83050负光刻胶，把掩模板放置在甩好负光刻胶的硅片上，再由曝光机对其进行曝光。10分钟后，用IPA对硅片进行冲洗，掩模板上的图案转移到负光刻胶上，经光刻显影得到。

所述的PDMS为预聚物和固化剂以质量比为10:1配比搅拌混合得到。

所述的浇注优选为倒入PDMS后置于真空泵中进行真空处理，以去除多余空气泡。

所述的加热固化是指：在60摄氏度下加热两个小时。

2)将PDMS聚合物从模板上剥离得到带有双微通道结构的单面芯片，将该单面芯片与一表面平整且经加热固化处理的PDMS底板键合成为微流体芯片，将微流体芯片组装后制成微流体可调谐光学滤波器。

所述的键合所涉及的参数为：采用等离子清洗机处理芯片表面，氧气流量为15mL/s，压力为7.5PSI，使气体通入时间为60s。

所述的单面芯片键合前优选开设作为光入射端、出射端、第一和第二流体注入端的孔。

所述的组装是指：将耦合光纤及注射泵与微流体芯片相连，所述的耦合光纤在接入微流体芯片前经光纤切割机把光纤端口切平整，以防止光强被过多散射，加大损耗。

技术效果

与现有技术相比，本发明的技术效果包括：本发明通过两层PDMS的胶合来实现内嵌式微通道简化了光学芯片结构及其制作。本发明微通道结构的提高了滤波的灵敏度，避免了在实施中为了得到不同的折射率差值而频繁更换液体类型的过程。可以实现对对液‐液界面宽度以及位置的控制，微通道的设计可以使得液‐液之间的层流更加稳定。利用新型微通道的设计以及液‐液层流的控制实现了一种光流控芯片上的可调谐光学滤波器，并通过对微流体的控制实现可控的滤波效果。本发明的丁字型通道结构在注入液体时，其所需注液压力小，液体不容易发生喷溅，性能稳定；并且两种液体在水平通道上开始扩散互混，在纵向产生的液体折射率梯度明显，灵敏度高等优点。在生物化学领域内，根据判断波峰的位置，也可以用来作为检验两种试剂反应程度的一个标准。

附图说明

图1为本发明所用微流体芯片结构图；

图2为微流体可调谐光学滤波器示意图；

图3为实施例1测量得到的滤波图样。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例所述的基于PDMS芯片的微流体可调谐光学滤波器，包括：自发辐射光源1、带有双微通道的PDMS微流体芯片3、光谱仪5以及两组独立工作的注射泵6、7，其中：微流体芯片3的光入射端和出射端分别与自发辐射光源1和光谱仪5通过耦合光纤2、4相连，微流体芯片3的第一和第二流体注入端分别与两组独立工作的注射泵6、7相连。

所述的放大自发辐射光源1通过掺铒光纤放大器放大，其波长范围为1528nm‐1573nm，由耦合光纤2进入微流体芯片3，经过微流体芯片3的光经过接收光纤4进入到光谱仪5中。

实施例中所用的液体分别由液体注射泵6和注射泵7独立来控制。装有液体的注射器置于注射泵的步进电机上，注入速度分别由两个注射泵来精确调节。注射泵的精度为0.1μL/min。液体通过微管道8和微管道9泵入微流体芯片3的两个注入端。

如图2所示，所述的微流体芯片3包括：分别位于光入射端10和出射端18的空气凹透镜11、17以及两条带有注入端12、13和输出端16且相互连通的液体微通道，其中：液体微通道14平行设置于空气凹透镜11、17之间且中部设有隔断部分15。

耦合光纤2出射端的发散光，经过空气凹透镜11聚焦后转为平行光。耦合光纤2的出射端口离空气凹透镜距离为200μm。两种不同液体分别由注入端12、13注入通过与入射光平行的液体微通道14。

所述的微流体芯片3内左右两端设有宽度为128μm的方形截面光纤槽，其中插有外径为125μm的单模光纤。

所述的液体微通道14在中段部分加宽，并在中部设有隔断部分15分隔成上下两个直通道。入射光沿着液体微通道14传播，在隔断部分15处一部分入射光通过直通道上半部分，另一部分入射光通过直通道的下半部分。两种不同液体在液体微通道14中流动时互混扩散形成折射率梯度，通过控制它们的流速可以控制二者之间的界面。从而调谐入射光的干涉。不同扩散程度的液体折射率梯度源于液体间的层流特性。

所述的隔断部分15的作用就是用于稳定液‐液的层流，优化滤波曲线的对比度。上下两部分注入的液体不同且相互之间有扩散，因此上下两部分的光将发生干涉为：Δnd＝mλ，其中：m＝1,2,3…K，λ是入射光的波长，Δn为介质的折射率差，d为传播的距离，由此可见滤波曲线波峰的位置随着折射率梯度的变化而变化。

通过液体微通道14的平行光再由第二个空气凹透镜17聚焦耦合进入接收光纤18，最后输入到光谱仪中进行分析，滤波曲线可以通过光谱仪存储记录。

如图3所示，为实际测量得到的干涉曲线。分别对应去离子水和乙二醇在流速比为10μL/min:20μL/min，40μL/min:5μL/min，50μL/min:3μL/min，60μL/min:3μL/min时的滤波曲线。通过控制两种互混液体的扩散程度(流速比)可以对微型滤波器进行调谐，这是因为不同扩散程度引起的不同折射率梯度从而导致不同的光程差变化。本发明所制备的滤波器同样可以探测到折射率差的微小变化，而且对样品的折射率没有限制。

Claims (10)

1.一种基于PDMS芯片的微流体可调谐光学滤波器，其特征在于，包括：自发辐射光源、带有双微通道的PDMS微流体芯片、光谱仪以及两组独立工作的注射泵，其中：微流体芯片的光入射端和出射端分别与自发辐射光源和光谱仪通过耦合光纤相连，微流体芯片的第一和第二流体注入端分别与两组独立工作的注射泵相连；

所述的微流体芯片包括：分别位于光入射端和出射端的空气凹透镜以及两条带有注入端和输出端且相互连通的液体微通道，其中：液体微通道平行设置于空气凹透镜之间且中部设有隔断部分。

2.根据权利要求1所述的可调谐光学滤波器，其特征是，所述的自发辐射光源通过掺铒光纤放大器放大，其波长范围为1528nm‐1573nm。

3.根据权利要求1所述的可调谐光学滤波器，其特征是，所述的注射泵内分别装有两种不同液体，该注射泵与步进电机相连且注射精度为0.1μL/min。

4.根据权利要求1所述的可调谐光学滤波器，其特征是，所述的隔断部分的长度为300μm，最大宽度为30μm。

5.根据权利要求1所述的可调谐光学滤波器，其特征是，所述的液体微通道的宽度为125μm，深度为125μm，长度为1mm。

6.根据权利要求1所述的可调谐光学滤波器，其特征是，所述的微流体芯片内左右两端设有宽度为128μm的方形截面光纤槽，使得插入导光光纤后光纤出射端口和会聚端口离空气凹透镜的距离在200μm。

7.根据权利要求1所述的可调谐光学滤波器，其特征是，所述的耦合光纤采用纤芯直径为9μm、外径为125μm的单模光纤，光纤的数值孔径为0.14。

8.一种涉及上述任一权利要求所述可调谐光学滤波器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)采用光刻的方法制备出带有微通道凸结构的阳模，将PDMS浇注于阳模模板上，然后进行加热固化处理；

2)将PDMS聚合物从模板上剥离得到带有双微通道结构的单面芯片，将该单面芯片与一表面平整且经加热固化处理的PDMS底板键合成为微流体芯片，将微流体芯片组装后制成微流体可调谐光学滤波器。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征是，所述的阳模通过AutoCAD设计出PDMS微流体芯片中的微结构，采用图形发生器把设计版图上的微结构转移到高精度的光掩模板上；在3英寸厚的硅片上均匀甩涂上SU‐83050负光刻胶，把掩模板放置在甩好负光刻胶的硅片上，再由曝光机对其进行曝光；10分钟后，用IPA对硅片进行冲洗，掩模板上的图案转移到负光刻胶上，经光刻显影得到。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征是，所述的键合所涉及的参数为：采用等离子清洗机处理芯片表面，氧气流量为15ml/s，压力为7.5PSI，使气体通入时间为60s。