CN104977274A - 基于单光束差分检测的光学微流控芯片传感器及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学检测装置及其测试方法，应用于生化分析领域，特别是一种基于单光束差分检测的光学微流控芯片传感器及测试方法；光学微流控芯片传感器中包括叠层结构，其中包括盖层、衬底、薄层、微流槽；其中，微流槽设置在薄层上，存在两个微流槽或两个以上的微流槽位于不同的薄层上，且在衬底的投影仅相接，或者投影完全重合；因此，不同的微流槽可以置于同一束探测光波内，实现单光束的光学差分检测；本发明的传感器及其测试系统，具备结构简单、紧凑、以及测试精度高的特点。

Description

基于单光束差分检测的光学微流控芯片传感器及测试方法

技术领域

本发明涉及光学检测装置及其测试方法，应用于生化分析领域，特别是一种基于单光束差分检测的光学微流控芯片传感器及测试方法。

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液体样品进行分析检测，具有高灵敏度、实时动态、以及微量样品需求等优势，可以促进分析仪器的微型化、集成化和便携化。

折射率和吸光度是反映液体性质的重要参数，测试样品的折射率或吸光度就可以获知样品的组分和浓度等相关信息。目前广泛采用光流控传感器和分光光度计，分别对样品的折射率和吸光度进行检测。Kobori等人(J.Am.Chem.Soc.，126(2)，557-562(2004))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.，86，151122(2005))利用光纤光栅传感器对异丙醇的折射率进行测量。由于温度变化、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受限(约为10-6RIU)。因此，提出了一种具有带有槽结构的光流控传感器(Appl.Phys.Lett.，102，163701(2013))。

但是，现有的带有槽结构的光流控传感器，用于承载待测样品和标准样品的槽结构位于同层，而为了防止样品的混合，在两个槽结构之间需要设置有隔离作用的隔离区，这样在进行测试时，所述的隔离区会引入测试精度上的偏差，从而影响到最终的测试结果。

同时，现有的光学差分检测需要两套光学系统用于产生两束探测光波，分别通过待测样品和标准样品，因此检测系统复杂；并且，两束探测光波之间的相位和强度漂移，会降低差分检测的效果。因此设计研发新的器件结构和测试方法，以简化测试系统、提高检测精度，是本发明的创研动机。

发明内容

本发明的目的在于克服以上所述的缺点，提供一种基于单光束差分检测的光学微控芯片传感器及其测试方法，实现单束探测光进行差分检测，具备低成本、系统简单、结构紧凑以及检测精度高的特点。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一种基于单光束差分检测的光学微控芯片传感器，包括叠层结构，所述叠层结构包括盖层、衬底、薄层、微流槽；其中，微流槽设置在薄层上；存在两个微流槽或者两个以上微流槽位于不同的薄层上，在衬底的投影仅相接，或者投影完全重合，所述的仅相接是指所述的两个微流槽在衬底上的投影恰好相接。

其中，所述叠层结构中，所述薄层与薄层之间设有防止样品混合的夹层(薄层)，避免了两个微流槽之间的样品混合，同时使两个微流槽之间的相对位置可以灵活调节。

其中，所述叠层结构采用玻璃材料、有机材料或晶体材料等透光性材料。

其中，所述微流槽的深度小于或等于薄层的厚度。当两个相邻的薄层之间不设置夹层结构时，采用微流槽的深度小于薄层的厚度这种结构，即可避免微流槽中液体样本的互混，相当于所述夹层的功能。

其中，所述的微流槽的表面或内部镀有调节光束相位的光学薄膜(如：Si、Ta₂O₅、SiN_x、SiO₂等)，优化干涉效应。

其中，所述的微流槽的底部为平面，侧面形状是矩形或者是圆弧形。

其中，所述叠层结构中的薄层的数目多于或等于2层，每层薄层上设置微流槽的数目可以多于两个，分别用于承载标准样品或待测样品。

其中，所述的叠层结构中的各层之间是通过表面粘合的方式进行连接的。

一种基于单光束差分检测的光学微控芯片传感器的测试方法，采用以上所述的基于单光束差分检测的光学微控芯片传感器，由于结构紧凑，可以将两个微流槽置于同一束探测光束中，简化了测试系统。从而实现利用单束探测光波对待测样品进行检验，具体测试方式为：

1)利用光学透镜或光纤准直器，将光波发射器发送的单束探测光波扩展为平行光束；

2)再利用所述传感器对平行光束进行处理，即平行光束透过传感器中的叠层结构，盖层、薄层、夹层以及衬底，并在透过不同薄层中微流槽的样品后，形成与传送到传感器的探测光波存在相位、强度差异的不同光束；

3)对所述传感器输出的光束通过光学透镜或光纤准直器进行汇聚处理；并将形成汇聚后的单束光波导入到光电探测器，得到干涉后的光波的光强度和相位信息；

4)调节微流槽中标准样品的折射率，使得透过传感器的光束相位差为π的奇数倍，此时汇聚后的光强度最小；改变待测样品的折射率，重复1)-3)步，分析光强度变化，判断待测样品的折射率和吸光度。

其中，所述的单光束光学差分检测，当某个微流槽中样品的折射率或吸光系数发生变化时，通过该微流槽区域的光束相位或强度会发生变化，从而改变光束干涉后输出的光强度。

其中，可以通过改变液体的浓度，进而改变样品的折射率。

本发明的有益效果是：首先，本发明的结构简单、紧凑，操作方便；其次，本发明的基于单光束差分检测的光学微控芯片传感器中包括叠层结构，有效的消除了同层结构微流槽之间隔离层的影响，提高了测试精度；再次，本发明的基于单光束差分检测的光学微控芯片传感器的测试方法，利用一套光学系统使用单光束进行样品的检测，简化了测试系统，抑制相位和强度漂移，抗干扰能力增强。

附图说明

图1(a)为本发明的实施例一叠层结构的截面结构示意图

图1(b)为本发明的实施例一叠层结构的平面俯视结构示意图

图2(a)为本发明的实施例二叠层结构的截面结构示意图

图2(b)为本发明的实施例二叠层结构的平面俯视结构示意图

图3为本发明的实施例一传感器的测试原理示意图。

图4为传统的用于光学差分检测的双槽光流控传感器结构示意图。

图5为本发明实的施例二传感器的测试原理示意图。

图6为微流槽投影未完全重合的传感器测试效果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明，并不是把本发明的实施范围局限于此。

如图1(a)、图2(a)所示，微流槽A和B(或是微流槽D和E)分别处于薄层A和薄层B(或是薄层D和薄层E)中，为了描述方便，可以将“微流槽”简称为“槽”，将图1(a)所示的传感器简称为“双槽拼接”传感器，将图2(a)所示的传感器简称为“双槽重叠”传感器。

所述的双槽拼接传感器(图1(a))，采用叠层结构，微流槽A和B在衬底上的投影仅相接(如图1(b)所示)。与此对比，如图4所示，如果未采用叠层结构(微流槽A和B制作在同一薄层C上)，为了防止两个微流槽中的样品互混，微流槽A与B之间需要间隔一定的距离(即隔离区)；此时，探测光束被分为三个不同的部分：A区、B区和C区光束(如图4所示)。其中，C区光束是透过隔离区的光束，C区光束的引入会劣化A区和B区光束之间的干涉效果、增加噪声并降低检测精度。

所述的双槽拼接传感器(图1(a))，由于在垂直于探测光束传播方向的平面内，微流槽A和B的投影恰好连接在一起，从而消除了微流槽A和B之间的隔离区域(即消除了C区光束)，从而降低干扰、提高检测精度。

所述的双槽拼接传感器的测试原理如图3所示，一束探测光波经过光学透镜1(或光纤准直器1)扩展后，形成接近平行光的探测光束、并透过传感器，然后利用光学透镜2(或光纤准直器2)将透过的探测光束汇聚后进入光电探测器。

所述的双槽拼接传感器测试方法(如图3所示)，探测光束在透过传感器之后被分为两个不同的部分：透过微流槽A的光束称为“A区光束”；透过微流槽B的光束称为“B区光束”。透过的探测光束经过汇聚后，A区和B区的光束发生相位干涉，并被光电探测器接收。当微流槽中液体样品的折射率或吸光系数改变时，干涉条件发生变化，使得光电探测到的光强度发生变化，从而实现对样品的折射率和吸光度进行检测。

所述的双槽拼接传感器测试方法(如图3所示)，通过调节微流槽A中样品的折射率，使得A区和B区光束之间的相位差为π的奇数倍；此时，透过传感器的A区和B区光束满足干涉相消，汇聚后的光强度最小。如果微流槽B中的样品折射率发生变化，则会改变汇聚后的光强度。

所述的双槽重叠传感器，微流槽D和E在衬底上的投影完全重合，(如图2(b)所示)。与此对比，如图4所示，如果未采用叠层结构(两个微流槽制作在同一薄层C上)，在两个微流槽中的样品不能互混的条件下，两个微流槽无法重叠在一起。另外，如果微流槽D和E的投影不完全重合(如图6所示)，探测光束则分为三个不同的部分：DE区、F区和G区光束。其中，G区光束只透过一个微流槽，G区光束的引入会劣化DE区和F区光束之间的干涉效果、增加噪声并降低检测精度。

所述的双槽重叠传感器(图2(a))的测试原理如图5所示，一束探测光波经过光学透镜1(或光纤准直器1)扩展后，形成接近平行光的探测光束、并透过传感器，然后利用光学透镜2(或光纤准直器2)将透过的探测光束汇聚后进入光电探测器。

所述的双槽重叠传感器测试方法(如图5所示)，探测光束在透过传感器之后被分为两个不同的部分：透过两个微流槽(即微流槽D和E)的光束称为“DE区光束”；未通过微流槽的光束称为“F区光束”。透过的探测光束经过汇聚后，DE区和F区的光束发生相位干涉，并被光电探测器接收。当微流槽中液体样品的折射率或吸光系数改变时，干涉条件发生变化，使得光电探测到的光强度发生变化，从而实现对样品的折射率和吸光度进行检测。

所述的双槽重叠传感器测试方法(如图5所示)，通过调节微流槽E中的样品折射率，使得DE区和F区光束之间的相位差为π的奇数倍；此时，透过传感器的DE区和F区光束满足干涉相消，汇聚后的光强度最小。如果微流槽D中的样品折射率发生变化，则会改变汇聚后的光强度。

如图1(a)所示的实施例一，本实施例所述的一种基于单光束差分检测的光学微控芯片传感器，首先，在玻璃薄层A和B上分别制备微流槽A和B，并通过表面粘合，将多个薄层堆叠形成具有叠层结构的的光学微流控传感器(如图1(a))。其中，在垂直于光束传播方向的平面内微流槽A和B的投影仅相接(如图1(b)所示，沿着光束传播方向俯视传感器表面，微流槽A和B之间没有缝隙)。

其次，利用光学透镜1，将入射的探测光波扩展为平行光束(或近似平行光束)；该平行探测光束透过微流槽A和B后，分别形成A区和B区光束；经过光学透镜2将A区和B区光束汇聚成一点，并导入光电探测器(如图3所示)。

将待测样品和标准样品分别注入微流槽A和微流槽B中，通过调节微流槽B中标准样品的浓度，使得A区和B区光束满足干涉相消的条件；然后，改变微流槽A中待测样品的浓度，从而改变A区和B区光束之间的干涉效果，使得进入光电探测器的光强度发生变化。因此，通过测试汇聚后的光强度变化，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。

如图2(a)所示的实施例二，本实施例所述的一种基于单光束差分检测的光学微控芯片传感器，首先，在硅薄层D和E上分别制备微流槽D和微流槽E，并通过表面粘合，将多个薄层堆叠形成具有叠层结构的的光学微流控传感器(如图2(a)所示)。其中，在垂直于光束传播方向的平面内微流槽D和E的投影完全重合(如图2(b)所示，沿着光束传播方向俯视传感器表面，微流槽D和E的左右两边边界重合)。

其次，利用光学透镜1，将入射的探测光波扩展为平行光束(或近似平行光束)；该平行探测光束透过传感器后，分别形成DE区和F区光束；经过光学透镜2将DE区和F区光束汇聚成一点，并导入光电探测器(如图5所示)。

将待测样品和标准样品分别注入微流槽D和微流槽E中，通过调节微流槽E中标准样品的浓度，使得DE区和F区光束满足干涉相消的条件；然后，改变微流槽D中待测样品的浓度，从而改变DE区和F区光束之间的干涉效果，使得进入光电探测器的光强度发生变化。因此，通过测试汇聚后的光强度变化，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，本发明提供的光学微流控传感器及其测试方法，通过采用叠层结构，在垂直于探测光束的平面内，实现微流槽之间的恰好相接或完全重合，因此可以采用单束探测光进行差分检测，从而简化测试系统、并提高测试精度。

以上所述仅是本发明的两个较佳实施例，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，包含在本发明专利申请的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于单光束差分检测的光学微控芯片传感器，其特征在于：光学微控芯片传感器中包括叠层结构，所述叠层结构包括盖层、衬底、薄层、微流槽；其中，所述微流槽设置在薄层上；存在两个微流槽或两个以上的微流槽位于不同的薄层上，且在衬底的投影仅相接，或者投影完全重合。

2.根据权利要求1所述的一种基于单光束差分检测的光学微控芯片传感器，其特征在于：所述叠层结构中，薄层与薄层之间设有防止样品混合的夹层。

3.根据权利要求1所述的一种基于单光束差分检测的光学微控芯片传感器，其特征在于：所述叠层结构采用玻璃材料、有机材料或晶体材料等透光性材料。

4.根据权利要求1所述的一种基于单光束差分检测的光学微控芯片传感器，其特征在于：所述微流槽的深度小于或等于薄层的厚度。

5.根据权利要求1所述的一种基于单光束差分检测的光学微控芯片传感器，其特征在于：所述的微流槽的表面或内部镀有调节光束相位的光学薄膜。

6.根据权利要求1所述的一种基于单光束差分检测的光学微控芯片传感器，其特征在于：所述的微流槽的底部为平面，侧面形状是矩形或者是圆弧形。

7.根据权利要求1所述的一种基于单光束差分检测的光学微控芯片传感器，其特征在于：所述叠层结构中的薄层的数目大于2层。

8.一种基于单光束差分检测的光学微控芯片传感器的测试方法，其特征在于：采用如权利要求1-7所述的一种基于单光束差分检测的光学微控芯片传感器，并利用单束探测光波对待测样品进行检验，具体测试方式为：

1)将光波发射器发送的单束探测光波扩展为平行光束；

2)利用所述传感器的叠层结构对平行光束进行单光束的光学差分检测，形成与传送到传感器的探测光波存在相位、强度差异的不同光束；

3)对所述传感器输出的光束进行汇聚处理；并将形成汇聚后的单束光波导入到光电探测器，得到干涉后的光波的光强度和相位信息；

4)调节微流槽中标准样品的折射率，使得透过传感器的光束相位差为π的奇数倍，此时汇聚后的光强度最小；改变待测样品的折射率，重复1)-3)步，分析光强度变化，判断待测样品的折射率和吸光度。

9.根据权利要求8所述的一种基于单光束差分检测的光学微控芯片传感器的测试方法，其特征在于：所述的单光束光学差分检测，当某个微流槽中样品的折射率或吸光系数发生变化时，通过该微流槽区域的光束相位或强度会发生变化，从而改变光束干涉后输出的光强度。

10.根据权利要求8所述的一种基于单光束差分检测的光学微控芯片传感器的测试方法，其特征在于：通过改变液体的浓度，进而改变样品的折射率。