CN104165841A - 光纤端面无标记光学传感元件与微流体集成结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光纤端面无标记光学传感元件与微流体集成结构，至少包括：微流体结构；以及至少一根端面具有无标记光学传感元件的光纤，所述光纤具有无标记光学传感元件的一端插入至所述微流体框体内部。本发明将具有无标记光学传感元件的光纤与微流体进行集成，具有结构简单、灵活方便、稳定性好、微流体芯片的生物样品使用量少、生物分子扩散距离短、多通道并行检测、微流体功能集成等优点。本发明适用于工业生产。

Description

光纤端面无标记光学传感元件与微流体集成结构

技术领域

本发明涉及一种生物传感器领域，特别是涉及一种光纤端面无标记光学传感元件与微流体集成结构。

背景技术

无标记生物光学传感技术已被广泛地应用于生物制药过程监控和蛋白质研究应用。为了减小生物样品的使用量、减少生物分子扩散距离、多通道并行检测等目的，常希望将传感部件集成在微流体芯片的通道中。同时，通过微流体技术可以将多种其它功能与传感集成在一个芯片上。

另一方面，无标记生物光学传感技术与光纤导波的结合也得到重视，这可以使传感系统中的光学通路由光纤实现，减小系统的复杂性和体积，提高系统的可靠性与便携性。多数基于光纤的无标记光学传感元件通常沿光纤伸展方向长达毫米级别。比如制备在光纤侧壁的贵金薄膜可以通过表面等离激元共振的方式对附着于贵金薄膜表面的分子进行检测，其中表面等离激元共振表现为反射或透射光谱的谐振峰，当生物分子附着于贵金薄膜的表面，则谐振峰的波长相应移动，或者同一波长的反射率发生相应变化，从而可以检测附着分子的数量。又例如光纤布拉格光栅通过光栅反射谱的中心反射波长的移动来检测附着分子的数量。

然而，毫米级别长度的光纤传感元件造成了与微流体芯片集成的困难。这是因为，首先光纤传感元件的长度限制了微流体通道的尺寸不能过小。其次，光纤的存在使得微流体通道中的流速分布和浓度分布不均匀，从而传感元件的不同区域可能探测到不同的信号强度。最后，光纤侧壁的传感区域必须得到保护，稍有刮碰即造成损坏。

近年来，随着纳米加工技术的不断进步，人们开始研究制备于光纤端面（垂直于光纤方向的平面）的无标记生物传感元件，这包括基于表面等离激元共振的贵金属纳米结构、基于光子晶体共振的介质纳米结构、基于波导耦合的结构等等。但是并没有人提出将这些传感元件与微流体通道集成。本发明正是关注到了这一类光纤端面的无标记光学生物传感元件与微流体技术的良好兼容性，提出集成二者，以获得小样品使用量、多通道并行检测、光纤导波等优点。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种光纤端面无标记光学传感元件与微流体集成结构及其制作方法，用于解决现有技术中的上述问题，获得小样品使用量、多通道并行检测、光纤导波等优点的光纤端面无标记光学传感元件与微流体集成结构。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种光纤端面无标记光学传感元件与微流体集成结构，至少包括：

微流体结构；

至少一根端面具有无标记光学传感元件的光纤，所述光纤具有无标记光学传感元件的一端插入至所述微流体框体内部。

作为本发明的光纤端面无标记光学传感元件与微流体集成结构的一种优选方案，所述微流体结构至少包括微流体通道、微流体入口及微流体出口。

进一步地，所述微流体通道的形状为圆柱状、多边形柱状或圆角多边形柱状。

作为本发明的光纤端面无标记光学传感元件与微流体集成结构的一种优选方案，所述微流体结构的材质为聚合物或玻璃。

作为本发明的光纤端面无标记光学传感元件与微流体集成结构的一种优选方案，所述无标记光学传感元件为具有二维周期性网格状纳米线槽的贵金属薄膜。

作为本发明的光纤端面无标记光学传感元件与微流体集成结构的一种优选方案，所述二维周期性网格状纳米线槽的在两个垂直方向的周期相等且为200～2000nm，纳米线槽的线宽为10～200nm。

作为本发明的光纤端面无标记光学传感元件与微流体集成结构的一种优选方案，所述贵金属薄膜为Au薄膜、Ag薄膜或Al薄膜。

作为本发明的光纤端面无标记光学传感元件与微流体集成结构的一种优选方案，所述贵金属薄膜的厚度为10～100nm。

作为本发明的光纤端面无标记光学传感元件与微流体集成结构的一种优选方案，具有两根或两根以上的端面具有无标记光学传感元件的光纤。

如上所述，本发明提供一种光纤端面无标记光学传感元件与微流体集成结构，至少包括：微流体结构；以及至少一根端面具有无标记光学传感元件的光纤，所述光纤具有无标记光学传感元件的一端插入至所述微流体框体内部。本发明将具有无标记光学传感元件的光纤与微流体进行集成，具有结构简单、灵活方便、稳定性好、微流体芯片的生物样品使用量少、生物分子扩散距离短、多通道并行检测、微流体功能集成等优点。本发明适用于工业生产。

附图说明

图1～图2显示为本发明的光纤端面无标记光学传感元件与微流体集成结构的结构示意图。

图3～图9显示为本发明的光纤端面无标记光学传感元件与微流体集成结构的一种制作方法各步骤所呈现的结构示意图。

图10显示为本发明的光纤端面无标记光学传感元件与微流体集成结构应用的一种测试系统的结构示意图。

图11显示为本发明的光纤端面无标记光学传感元件与微流体集成结构在测试中获得的反射谱图。

元件标号说明

20                       微流体结构

201                      微流体通道

202                      微流体入口

203                      微流体出口

21                       光纤

211                      无标记光学传感元件

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1～图11。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例1

如图1～图2所示，本实施例提供一种光纤端面无标记光学传感元件与微流体集成结构，至少包括：

微流体结构20；

至少一根端面具有无标记光学传感元件211的光纤21，所述光纤21具有无标记光学传感元件211的一端插入至所述微流体框体内部。

作为示例，所述微流体结构20至少包括微流体通道201、微流体入口202及微流体出口203，当然，所述微流体结构20中还具有至少一个用于插入光纤的通孔。其中，所述微流体结构20可以通过倒模、激光切割、微纳加工工艺等方法制备。

进一步地，所述微流体通道201的形状为圆柱状、多边形柱状或圆角多边形柱状，当然，所述微流体通道201的形状并不限于此处所列举的几种。

作为示例，所述微流体结构20的材质为聚合物或玻璃，当然，所述微流体结构20的材质可以为一切预期的固体材料，并不限于此处所列举的几种。

作为示例，所述无标记光学传感元件211具体为一种基于表面等离激元共振原理的无标记生物光学传感元件。如图2所示，所述无标记光学传感元件211为具有二维周期性网格状纳米线槽的贵金属薄膜。当然，在其它的实施例中，所述无标记光学传感元件211可以为具有一维或二维周期性光栅结构的贵金属或介质薄膜、二维周期性多孔结构的贵金属薄膜等，且并不限于此处所列举的几种结构。

作为示例，所述二维周期性网格状纳米线槽的在两个垂直方向的周期相等且为200～2000nm，纳米线槽的线宽为10～200nm。当然，在实际应用中纳米线槽的周期可以根据所需要的光波长而更改。

作为示例，所述贵金属薄膜为Au薄膜、Ag薄膜或Al薄膜，且并不限于此处所列举的几种。

作为示例，所述贵金属薄膜的厚度为10～100nm。

其中，所述无标记光学传感元件211的制作方法为，先采用电子束蒸发的方法于光纤21的端面上沉积一层金薄膜，然后采用聚焦离子束刻蚀方法于所述金薄膜上刻出二维周期性网格状的纳米线槽结构。

作为示例，具有两根或两根以上的端面具有无标记光学传感元件211的光纤21。采用多根端面具有无标记光学传感元件211的光纤21并行的结构，可以使该集成结构实现多通道并行传感。

实施例2

如图3～图9所示，本实施例提供一种光纤端面无标记光学传感元件与微流体集成结构的制作方法，至少包括以下步骤：

如图3～图6所示，首先进行步骤1），形成至少具有一平直面、且于该平直面内具有微流体凹槽105及至少一个与该微流体凹槽105相连的线状沟槽106的聚合物结构104。

作为示例，步骤1）包括以下步骤：

如图3所示，首先进行步骤1-1），提供一底部为平直面的容器101，于该容器101底部固定一具有预设形状的固体块102及至少一个与该固体块102相连的线体结构103，所述线体结构103与光纤的大小及形状一致。

如图4所示，然后进行步骤1-2），将液态的聚合物倒入所述容器101中，并固化成型；

如图5～图6所示，最后进行步骤1-3），对所述聚合物进行切割并从所述容器101中取出，形成至少具有一平直面、且于该平直面内具有微流体凹槽105及至少一个与该微流体凹槽105相连的线状沟槽106的聚合物结构104。

具体地，所述聚合物为二甲基硅氧烷PDMS。本实施例使用容器101为培养皿，其底面事先粘贴一条3×11×3mm的塑料条、及一根直径125μm的光纤，形成一个模子。然后将二甲基硅氧烷PDMS主剂与固化剂以10:1的质量比混合，利用玻璃棒搅拌15分钟，之后将其放入低真空箱中放置到内部气泡消失。将PDMS混合液倒入模子中，深度大约为5mm。接着将PDMS混合液与模子置于常温24小时使其固化。之后，将固化的PMDS切割出20mm长、20mm宽的一片并从模子上揭起，其中，切割出的PDMS包含了塑料条和125μm直径的光纤留下的空间。

当然，上述结构也可以通过其他的加工手段形成，如激光切割、微纳加工工艺等，且并不限于以上所列举的几种。

如图7～图8所示，然后进行步骤2），提供一承载片107及至少一根端面制作有无标记光学传感元件109的光纤108，将所述光纤108嵌入所述线状沟槽106中并将所述聚合物结构104的平直面与所述承载片107进行粘合，其中，所述光纤108制作有无标记光学传感元件109的一端暴露于所述微流体凹槽105中.

作为示例，所述无标记光学传感元件109具体为一种基于表面等离激元共振原理的无标记生物光学传感元件。

作为示例，如图8所示，首先于光线端面制作无标记光学传感元件109，包括以下步骤：

提供单模光纤108，采用电子束蒸发的方法于所述单模光纤的端面上沉积一层金薄膜。在本实施例中，所述金薄膜的厚度为25nm。当然，所述金薄膜的厚度可以依据实际需求进行改变，并不限定于此。

采用聚焦离子束刻蚀方法于所述金薄膜上刻出二维周期性网格状的纳米线槽结构。在本实施例中，纳米线槽宽度为50nm，纳米线槽网格在两个垂直方向的周期相等且均为770nm，当然，在实际应用中纳米线槽的周期可以根据所需要的光波长而更改。

作为示例，所述承载片107为玻璃片。

作为示例，粘合的步骤包括：先对所述聚合物结构104的平直面及所述承载片107进行氧等离子体活化处理，然后将所述光纤108嵌入所述线状沟槽106中，接着将所述平直面与所述承载片107进行粘合，最后，放入60摄氏度烘箱中烘烤半小时使其牢固的粘合在一起。至此，所述微流体凹槽105对应的空间就是微流体通道，而光纤端面的无标记光学传感元件已经集成在微流体通道中。

如图9所示，最后进行步骤3），于所述聚合物结构104中制作出至少两个从表面贯穿至所述微流体凹槽105的通孔，并分别于各该通孔中插入导流管110。

作为示例，在微流体凹槽105两端的上壁用0.9mm打孔器打出两个通孔，并在各该通孔中插入导流管110。在本实施例中，所述导流管110为0.9mm/1mm的内/外直径的聚乙烯管。如果需要并行检测，只需用同样的工艺在同一微流体通道集成多根端面制作有无标记光学传感元件109的光纤108即可。

需要说明的是，如上加工工艺只是为了简单实现此器件结构，通过传统的微纳加工工艺可以很容易的得到更小的微流体通道和更准确的光纤定位。

如图10～图11所示，在完成所述光纤端面无标记光学传感元件与微流体集成结构的制作后，本实施例对该集成结构进行了测试。首先，往微流体通道中分别注入了水和99.8%浓度乙醇溶液，然后分别测试了其对应的传感器反射谱以验证此集成结构对溶液折射率变化的传感性能。在此测试中，采用150W溴钨灯作为光源，并通过一个50×显微物镜将光耦合入单模光纤之中，通过一个2×2的光纤耦合器来连接此单模光纤、端面制备有无标记光学传感元件的光纤、及光谱仪,如图10所示。所述耦合器有两个输入端和两个输出端，光从任一个输入端进入后，以50%的功率分别从两个输出端分别输出；反过来也一样，即光从任一个输出端（反向）进入后，以50%的功率分别从两个输入端分别输出。耦合器的输入1连接光源一侧的单模光纤，输入2连接光谱仪，输出1与插入微流体通道的端面制备有无标记光学传感元件的光纤相连，输出2空置。如此，从光源耦合入单模光纤的光经由耦合器的输入1-输出1到达光纤端面的无标记光学传感元件，而无标记光学传感元件的反射光经由耦合器的输出1-输入2到达光谱仪。我们分别测试了微流体通道中注入水或者99.8%浓度的乙醇溶液时的反射光谱，并将之除以光纤端面为25nm厚度连续金膜时的反射谱，得到如图11所示的归一化反射光谱，其折射率灵敏度为714nm/RIU。

综上所述，本发明提供一种光纤端面无标记光学传感元件与微流体集成结构，至少包括：微流体结构；以及至少一根端面具有无标记光学传感元件的光纤，所述光纤具有无标记光学传感元件的一端插入至所述微流体框体内部。本发明将具有无标记光学传感元件的光纤与微流体进行集成，具有结构简单、灵活方便、稳定性好、微流体芯片的生物样品使用量少、生物分子扩散距离短、多通道并行检测、微流体功能集成等优点。本发明适用于工业生产。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种光纤端面无标记光学传感元件与微流体集成结构，其特征在于，至少包括：

微流体结构；

至少一根端面具有无标记光学传感元件的光纤，所述光纤具有无标记光学传感元件的一端插入至所述微流体框体内部。

2.根据权利要求1所述的光纤端面无标记光学传感元件与微流体集成结构，其特征在于：所述微流体结构至少包括微流体通道、微流体入口及微流体出口。

3.根据权利要求2所述的光纤端面无标记光学传感元件与微流体集成结构，其特征在于：所述微流体通道的形状为圆柱状、多边形柱状或圆角多边形柱状。

4.根据权利要求1所述的光纤端面无标记光学传感元件与微流体集成结构，其特征在于：所述微流体结构的材质为聚合物或玻璃。

5.根据权利要求1所述的光纤端面无标记光学传感元件与微流体集成结构，其特征在于：所述无标记光学传感元件为具有二维周期性网格状纳米线槽的贵金属薄膜。

6.根据权利要求5所述的光纤端面无标记光学传感元件与微流体集成结构，其特征在于：所述二维周期性网格状纳米线槽的在两个垂直方向的周期相等且为200～2000nm，纳米线槽的线宽为10～200nm。

7.根据权利要求5所述的光纤端面无标记光学传感元件与微流体集成结构，其特征在于：所述贵金属薄膜为Au薄膜、Ag薄膜或Al薄膜。

8.根据权利要求5所述的光纤端面无标记光学传感元件与微流体集成结构，其特征在于：所述贵金属薄膜的厚度为10～100nm。

9.根据权利要求1所述的光纤端面无标记光学传感元件与微流体集成结构，其特征在于：具有两根或两根以上的端面具有无标记光学传感元件的光纤。