CN104345015B - 基于微纳光纤和微流控芯片的图像传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于微纳光纤和微流控芯片的图像传感器及其制备方法，所述传感器包括微流控芯片、锥形微纳光纤、光电探测器、光源，其特征在于：所述微流控芯片设置有微流槽，所述锥形微纳光纤细的一端伸入到微流控芯片中的微流槽通道内；所述光电探测器和光源设置在锥形微纳光纤的另一端。本发明的有益效果是：通过将微流槽通道与锥形微纳光纤直接集成在一起，因此可以利用光纤中的光场作用力将待检物吸附到光纤表面，消除待检物与光纤端面的间距，从而降低成像畸变；并可利用锥形微纳光纤大幅提高光场作用力和放大倍数；同时，还可以通过调节折射率，降低光纤之间的耦合干扰、提高成像精度。

Description

基于微纳光纤和微流控芯片的图像传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于检测气体或液体中微纳待检物的形状和尺寸的传感器，特别涉及一种基于微纳光纤和微流控芯片的图像传感器及其制备方法，可应用于空气中雾霾、血液中细胞、以及水中微生物的检测等领域。

背景技术

光学检测技术和微流控芯片的融合，催生了“光流控”(optofluidic)传感器(Nature Photon.，5(10)，591-597(2011))。利用光流控传感器对气体或液体样品进行分析检测，具有高灵敏度、实时动态、及微量样品需求等优势。因此，如何利用光流控传感器检测微纳颗粒物，在环境保护和生化分析等领域具有重要应用，例如：大气中悬浮的微纳颗粒会引起雾霾污染，海水中微小浮游生物会影响水质(Biogeosciences，7，3239-3257，2010)。目前，检测气体或液体中悬浮颗粒物的光学方法有激光法和图像法等。其中，图像法最为直观，但是需要高倍的光学显微镜或电子显微镜，这些显微镜的价格昂贵、体积庞大。

为了降低高倍数光学显微镜的体积和价格，Isa Navruz等人利用高分辨率CCD光电探测器进行接触式成像，可将成像分辨率提升至亚微米量级，而且体积小、还可以与手机配合使用(Smart-phone based computational microscopy usingmulti-frame contact imaging on a fiber-optic array，Lab on a Chip，2013，DOI：10.1039/C3LC50589H)。但是，该方案的成像分辨率主要取决于CCD的像素精度，分辨率仍未超过传统光学显微镜。大多的微纳光纤传感器都运用倏逝场原理，即当光沿着亚波长直径微纳光纤传播时，相当一部分能量以倏逝场的形式存在于光纤外部，这部分能量对于外界介质的不同，会直接影响倏逝波的穿透深度和能量，从而改变光纤的透射光强。因此通过分析光纤接收端的光强变化，就可以对倏逝场区域的不同介质特征做出判断。但是存在以下问题：倏逝场传感器只有很少一部分能量可以穿透倏逝场区域从而产生荧光信号；而且在信号接受方面，荧光信号的耦合效率比较低。而且被测样品与取样锥形微纳光纤之间存在较大间隙，这会增加光学衍射、降低成像精度。

综上所述，如何利用锥形光纤进一步提高放大倍数，消除待测样品与光纤之间的间隙，并且降低光纤之间的光耦合干扰，从而大幅提高成像精度，是本发明的创研动机。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种待检物与光纤断面之间间距小，成像畸变低，高放大倍数和成像精度高的基于微纳光纤和微流控芯片的图像传感器及其制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种基于微纳光纤和微流控芯片的图像传感器，包括微流控芯片、锥形微纳光纤、光电探测器、光源，其特征在于：所述微流控芯片设置有微流槽，所述锥形微纳光纤细的一端伸入到微流控芯片中的微流槽通道内；所述光电探测器和光源设置在锥形微纳光纤的另一端。

本发明涉及的基于微纳光纤和微流控芯片的图像传感器，还可以具有以下附属技术特征：

所述锥形微纳光纤较细的一端设置有与微纳光纤折射率不同的包层。所述的锥形微纳光纤，其中较细的一端可以涂覆包层(图4中左图)；并可通过调节包层材料与微纳光纤的折射率差异，从而调节微纳光纤的数值孔径，进而限制待检物的反射光耦合进入微纳光纤的入射角度(图4中右图)，降低相邻光纤之间的光信号耦合干扰(即同一点的反射光耦合进入不同光纤中引起的干扰)；提高成像精度。

所述光源包括泵浦光和探测光。所述泵浦光可以加强周围形成的光场梯度，从而将待检物吸附到微纳光纤的表面，减少待检物与微纳光纤端面的间距。

所述锥形微纳光纤为由多根锥形微纳光纤紧密堆叠而构成的锥形微纳光纤阵列。所述的锥形微纳光纤阵列，是由多根锥形微纳光纤紧密堆叠而构成的；可以通过对堆叠的光纤束进行融化拉制而成(如图3所示)，该锥形微纳光纤的直径可从毫米量级(粗的一端)渐变到微米甚至纳米量级(细的一端)。所述的锥形微纳光纤，其直径的变化倍数可大于10³倍；由于光汇聚效应，它对图像的放大倍数也可超过10³倍，并且大幅提高了从该光纤细的一端汇聚输出的泵浦光强度，从而增强对待检物的光场作用力。

所述光电探测器，其入光面放置过滤泵浦光的滤光片。所述的光电探测器，其入光面可以放置滤光片，将泵浦光滤掉，从而只吸收探测光；如果采用探测光来俘获待检物，则可以不采用泵浦光和滤光片。

所述的微流控芯片设置有进样孔。其中进样孔是在衬底上腐蚀而成，与微流槽连接，进样孔的腐蚀深度h可以小于或等于夹层的厚度L，具体数值可视检测样品需求选择。当h小于L时，样品在样品通道内流动会产生紊流；因此，可以通过调节h的大小，来获得需要的紊流效果，从而影响光束传播方向(紊流使得通道内的液体折射率分布不均)、提高检测精度。特别指出，本发明所涉及的微流控芯片是指包括微流槽的适合储样装置，主要结构为适合所述锥形微纳光纤或锥形微纳光纤阵列检测的微流槽，不局限于尺寸以及其他功能。

所述的光电探测器设置于锥形微纳光纤的端面中部，泵浦光和探测光从光电探测器的周围耦合进入锥形微纳光纤(图2)；所述锥形微纳光纤的直径从毫米量级渐变到纳米量级。

所述光电探测器紧贴锥形微纳光纤的端面或者通过光学透镜与锥形微纳光纤实现光耦合。

所述光电探测器是CCD光电探测器。CCD光电探测器是是将光信号转换成视频信号，经A/D转换后形成数字图像信号，转换的视频信号，在提高空间分辨率，改善信噪比和减少伪影等方面有优势，图像质量长期可靠一致。

本发明还涉及基于微纳光纤和微流控芯片的图像传感器的制备方法，主要包括以下步骤：

第一步、在衬底上制备微流槽，在衬底钻孔贯穿到微流槽，然后将衬底和盖片面对面贴紧密封，以构成微流控芯片；

第二步、加热融化光纤，拉制成锥形微纳光纤；

第三步、将锥形微纳光纤细的一端伸入到微流控芯片中的微流槽通道内；

第四步、在锥形微纳光纤的另一端安装光电探测器和光源。

所述的图像传感器，是在微流槽上钻孔，然后将微纳光纤伸入孔内并密封好，因此微纳光纤可进入微流槽、并与待检物直接接触，从而消除待检物与微纳光纤端面之间的间隙，降低光学衍射、提高成像精度。

所述的图像传感器工作原理是(如图2)：1.外部光源包含探测光，还可包含泵浦光，由光电探测器的周围耦合进入锥形微纳光纤，并入射到微流槽通道内的待检物上；2.泵浦光在待检物周围形成的光场梯度，从而将待检物吸附到微纳光纤的表面，减少待测待检物与微纳光纤端面的间距；3.探测光经微纳光纤入射到待检物表面并反射回微纳光纤中，从而被光电探测器接收成像。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

通过将微流槽通道与锥形微纳光纤直接集成在一起，因此可以利用光纤中的光场作用力将待检物吸附到光纤表面，消除待检物与光纤端面的间距，从而降低成像畸变；并可利用锥形微纳光纤大幅提高光场作用力和放大倍数；同时，还可以通过调节折射率，降低光纤之间的耦合干扰、提高成像精度。

锥形微纳光纤通过与微流控芯片的集成，使所需样品消耗大大减少，而且可根据样品的多少以及形态选择微流控芯片；锥形微纳光纤未拉伸部分可选用标准商用单模或多模光纤，可与外围光源、探测器无缝对接，可实现实时检测和危险环境下的远距离传感；该传感器制备简单，加工成本低，具有超高灵敏度和长期工作稳定性，并且待测物与光纤端面之间间隙小，成像精度高。

附图说明

图1为微流控芯片的结构示意图。

图2为基于微纳光纤和微流控芯片的图像传感器结构示意图。

图3为锥形微纳光纤阵列的结构和制备方法示意图。

图4为微纳光纤的结构示意图(右图为光纤顶部的放大图)。

具体实施方式

下面将结合实施例以及附图对本发明加以详细说明，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1

参照图1至图4，本发明提供了一种基于微纳光纤和微流控芯片的图像传感器，包括微流控芯片、锥形微纳光纤、光电探测器、光源，其特征在于：所述微流控芯片设置有微流槽，所述锥形微纳光纤细的一端伸入到微流控芯片中的微流槽通道内；所述光电探测器和光源设置在锥形微纳光纤的另一端；所述锥形微纳光纤较细的一端设置有与微纳光纤折射率不同的包层；所述光源包括泵浦光和探测光；所述的光电探测器设置于锥形微纳光纤阵列的端面中部，泵浦光和探测光从光电探测器的周围耦合进入锥形微纳光纤阵列；所述锥形微纳光纤的直径从1毫米渐变到10^-5毫米；所述的微流控芯片，是由盖片和带有微流槽的衬底构成；衬底和盖片密封后，凹槽形成了微流槽通道，用以流通气体或液体样品。

本发明还提供了一种基于微纳光纤和微流控芯片的图像传感器的制备方法，主要包括以下步骤：

第一步、在衬底上制备微流槽，在衬底钻孔贯穿到微流槽，然后将衬底和盖片面对面贴紧密封，以构成微流控芯片；

第二步、加热融化光纤，拉制成锥形微纳光纤；所述锥形微纳光纤较细的一端涂覆与锥形微纳光纤折射率不同的包层；

第三步、将锥形微纳光纤细的一端伸入到微流控芯片中的微流槽通道内；

第四步、在锥形微纳光纤的另一端安装光电探测器和光源。

实施例2

参照图1至图4，本发明提供了一种基于微纳光纤和微流控芯片的图像传感器，包括微流控芯片、锥形微纳光纤阵列、CCD光电探测器、光源，其特征在于：所述微流控芯片设置有微流槽和进样孔，所述锥形微纳光纤阵列细的一端伸入到微流控芯片中的微流槽通道内；所述CCD光电探测器和光源设置在锥形微纳光纤阵列的另一端；所述锥形微纳光纤阵列较细的一端设置有与微纳光纤折射率不同的包层；所述光源包括泵浦光和探测光；所述的CCD光电探测器设置于锥形微纳光纤阵列的端面中部，泵浦光和探测光从CCD光电探测器的周围耦合进入锥形微纳光纤阵列；所述CCD光电探测器，其入光面放置过滤泵浦光的滤光片；所述锥形微纳光纤阵列的直径从2毫米渐变到5×10^-5毫米；所述的微流控芯片，是由盖片和带有微流槽的衬底构成；衬底和盖片密封后，凹槽形成了微流槽通道，用以流通气体或液体样品。

本发明还提供了一种基于微纳光纤和微流控芯片的图像传感器的制备方法，主要包括以下步骤：

第一步、在衬底上制备微流槽和进样孔，在衬底钻孔贯穿到微流槽，然后将衬底和盖片面对面贴紧密封，以构成微流控芯片；

第二步、加热融化多根光纤，拉制成锥形微纳光纤阵列；所述锥形微纳光纤阵列较细的一端涂覆与锥形微纳光纤阵列折射率不同的包层。

第三步、将锥形微纳光纤阵列细的一端伸入到微流控芯片中的微流槽通道内；

第四步、在锥形微纳光纤阵列的另一端安装CCD光电探测器和光源；所述CCD光电探测器，其入光面放置过滤泵浦光的滤光片。

将含有待检物的气体或液体从进样孔流经微流槽通道；当待检物流经锥形微纳光纤阵列的表面时，被光纤阵列中的泵浦光或探测光吸附到光纤阵列端面；光纤阵列中的探测光被待检物反射后，耦合返回光纤阵列中、并被光纤阵列另一端的CCD光电探测器接收成像。

综上所述，本发明提供的基于微纳光纤和微流控芯片的图像传感器，通过将微流槽通道与微纳光纤阵列集成，可利用光场作用力消除待测待检物与光纤端面的间距，从而降低成像畸变；并可利用锥形微纳光纤大幅提高光场作用力和放大倍数；同时，还可以通过调节折射率，降低光纤之间的耦合干扰、提高成像精度。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (9)

1.一种基于微纳光纤和微流控芯片的图像传感器，包括：微流控芯片、锥形微纳光纤、光电探测器、光源，其特征在于：所述锥形微纳光纤为由多根锥形微纳光纤紧密堆叠而构成的锥形微纳光纤阵列，所述微流控芯片设置有微流槽，所述锥形微纳光纤细的一端伸入到微流控芯片中的微流槽通道内；所述光电探测器和光源设置在锥形微纳光纤的另一端。

2.根据权利要求1所述的基于微纳光纤和微流控芯片的图像传感器，其特征在于：所述锥形微纳光纤较细的一端设置有与微纳光纤折射率不同的包层。

3.根据权利要求1所述的基于微纳光纤和微流控芯片的图像传感器，其特征在于：所述光源包括泵浦光和探测光。

4.根据权利要求3所述的基于微纳光纤和微流控芯片的图像传感器，其特征在于：所述光电探测器，其入光面放置过滤泵浦光的滤光片。

5.根据权利要求1所述的基于微纳光纤和微流控芯片的图像传感器，其特征在于：所述微流控芯片设置有进样孔。

6.根据权利要求3所述的基于微纳光纤和微流控芯片的图像传感器，其特征在于：所述光电探测器设置于锥形微纳光纤的端面中部，泵浦光和探测光从光电探测器的周围耦合进入锥形微纳光纤；所述锥形微纳光纤的直径从毫米量级渐变到纳米量级。

7.根据权利要求1所述的基于微纳光纤和微流控芯片的图像传感器，其特征在于：所述光电探测器紧贴锥形微纳光纤的端面或者通过光学透镜与锥形微纳光纤实现光耦合。

8.根据权利要求1-7任一所述的基于微纳光纤和微流控芯片的图像传感器，其特征在于：所述光电探测器是CCD光电探测器。

9.一种如权利要求1-8任一所述的基于微纳光纤和微流控芯片的图像传感器的制备方法，主要包括以下步骤：

第一步、在衬底上制备微流槽，在衬底钻孔贯穿到微流槽，然后将衬底和盖片面对面贴紧密封，以构成微流控芯片；

第二步、加热融化光纤，拉制成锥形微纳光纤；

第三步、将锥形微纳光纤细的一端通过衬底的钻孔伸入到微流控芯片中的微流槽通道内；

第四步、在锥形微纳光纤的另一端安装光电探测器和光源。