CN106770043A - 一种集成光微流控传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集成光微流控传感器，用于生物、医学、化学等多参量同时测量，由一根微纳光纤和三根尺寸不同的微纳石英毛细管组成，形成结构平行紧凑的集成光微流控传感器。在微纳光纤和微纳石英毛细管均匀区传输的高阶模式的倏逝场与管内部的样品发生相互作用，实现传感测量，微纳石英毛细管的尺寸决定耦合的高阶模式，当三根微纳石英毛细管尺寸相同时激发相同的高阶模式，检测相同的参量，可实现传感信号的放大，当三根微纳石英毛细管尺寸不同时，激发三种不同的高阶模式，便可分别检测不同的参量，实现功能的集成，三种高阶模式分别与基模发生干涉，光纤输出三根频率不同的干涉谱，经傅里叶变换实现信号的解调，这样便实现信号的集成。

Description

一种集成光微流控传感器
技术领域
本发明涉及光学传感器技术领域，具体涉及一种集成光微流控传感器。
背景技术
微流控技术(Microfluidics或Lab on a chip)是指使用微管道(尺寸为数十到数百微米)处理或操纵微小流体(体积为纳升到阿升)的系统。微流控技术经过二十余年的发展，己经成为一门涉及化学、流体物理、光学、微电子、新材料、生物学和生物医学工程的新兴交叉学科。光微流控传感器是通过在微流控芯片中引入光学检测手段而构成的传感器。这传感器类型结合了微流控芯片结构尺寸小、样品消耗量低、分析通量高等优点和光学检测手段的灵敏度高、响应速度快、灵活性高、功耗低等这两方面优势，在低浓度样品探测方面具有很好的发展潜力。在临床诊断特别是癌症、心血管病等重大疾病诊断方面具有良好的应用前景。
光微流控传感器最初是通过片上集成的方式实现的，即在原有微流控芯片上引入光学探测结构。由于光学结构与芯片在材料上兼容性差，这种方式能达到的检测精度有限，无法满足临床需求。为实现高检测精度，需要在样品用量少，且作用距离有限的前提下实现光与微流之间的有效相互作用。因此需要对光微流控的实现机制和结构进行改进和再设计。
目前，实现光微流控传感器的方式很多。一种策略是基于本身具有微孔结构的光波导实现光微流控传感器，例如，光子晶体光纤、光子晶体、微孔阵列、液芯光波导等，天然的多孔结构，样品消耗低至飞克量级，光与物质强烈的相互作用，使得灵敏度很高，但是，微流的出入口需要另行设计，完整的微流系统难以实现。另一种策略是，基于一定光学原理引入微流系统实现光微流控传感器，例如基于微管的光学谐振腔，微管与微纳光纤垂直相互作用，光在微管管壁上发生谐振，不仅巧妙地解决了完整微流系统的问题，同时光学谐振的方式增加了光与物质之间的作用次数，显著增加了有效作用长度，使得探测能力得到明显提高，同时易于集成。但是，这种结构中光学谐振是通过与毛细管垂直接触的微纳光纤激发的，光信号容易受到外界振动、气流等因素的干扰，检测过程对周围环境要求极高。若将该传感器结构封装起来，其品质因子将受到很大影响，从而降低检测能力。
而基于微纳石英毛细管与微纳光纤的平行结构，可通过熔融拉锥一步制得，且微管微纳光纤之间形成结构紧凑的平行的一体光波导，制作方法简单、成本低、稳定性高、检测速度快、精度高，可实现生物、化学、医学等参量的低浓度检测。但是该结构基于的原理是倏逝场与物质的相互作用，所以对外界敏感的区域有限，仅在靠近微纳光纤附近的微管内敏感。为了将光微流控传感器更进一步推向实用化，提升传感器的功能和检测能力，开拓光微流控传感器更广阔的应用前景，需要对光微流控传感器进行集成。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的技术方案实现难，要求高，稳定性差等缺陷，基于微纳石英毛细管和微纳光纤平行结构的光微流传感器，提供一种功能集成和信号集成的光微流控传感器，提升微管和微纳光纤平行结构的光微流传感器的功能和检测能力。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种集成光微流控传感器，所述传感器包括：一根微纳光纤7和三根组成结构相同的第一微纳石英毛细管1、第二微纳石英毛细管8、第三微纳石英毛细管9；
所述微纳光纤7与三根微纳石英毛细管处处保持平行的相对位置关系，并封装于低折射率紫外胶中；
其中，所述微纳光纤7包括：第一光纤端区10、第二光纤端区14、第一微纳光纤锥区11、第二微纳光纤锥区13和微纳光纤均匀区12，所述第一微纳光纤锥区11和所述第二微纳光纤锥区13分别位于所述微纳光纤均匀区12的两端，所述第一光纤端区10位于所述第一微纳光纤锥区11的外端，所述第二光纤端区14位于所述第二微纳光纤锥区13的外端；
其中，所述第一微纳石英毛细管1、所述第二微纳石英毛细管8和所述第三微纳石英毛细管9均包括：第一石英毛细管端区2、第二石英毛细管端区6、第一微纳石英毛细管锥区3、第二微纳石英毛细管锥区5和微纳石英毛细管均匀区4，所述第一微纳石英毛细管锥区3和所述第二微纳石英毛细管锥区5分别位于所述微纳石英毛细管均匀区4的两端，所述第一石英毛细管端区2位于所述第一微纳石英毛细管锥区3的外端，所述第二石英毛细管端区6位于所述第二微纳石英毛细管锥区5的外端；上述各区构成各自构成独立的三个微流通道。
进一步地，所述第一光纤端区10和所述第二光纤端区14用于光信号的输入和输出，所述第一微纳光纤锥区11和所述第二微纳光纤锥区13用于实现高阶模式的激发。
进一步地，所述第一微纳石英毛细管1、所述第二微纳石英毛细管8和所述第三微纳石英毛细管9的第一微纳石英毛细管锥区3和第二微纳石英毛细管锥区5均分别与所述第一微纳光纤锥区11和所述第二微纳光纤锥区13并排平行，实现模式耦合。
进一步地，所述第一微纳光纤锥区11和所述第二微纳光纤锥区13激发的高阶模式在所述微纳石英毛细管均匀区4和所述第一微纳石英毛细管1、所述第二微纳石英毛细管8以及所述第三微纳石英毛细管9的微纳光纤均匀区12组成的复合波导结构中传输。
进一步地，所述第一微纳光纤锥区11和所述第二微纳光纤锥区13激发的高阶模式的倏逝场可与分别渗透入所述第一微纳石英毛细管1、所述第二微纳石英毛细管8、所述第三微纳石英毛细管9的内部一定距离，实现光与物质的相互作用，达到传感测量的目的。
进一步地，所述第一微纳光纤锥区11和所述第二微纳光纤锥区13激发的高阶模式取决于各个微纳石英毛细管的尺寸；
当所述第一微纳石英毛细管1、所述第二微纳石英毛细管8、所述第三微纳石英毛细管9的尺寸相同时，激发相同的高阶模式，三根微纳石英毛细管检测相同的东西，可实现传感信号的放大；
当所述第一微纳石英毛细管1、所述第二微纳石英毛细管8、所述第三微纳石英毛细管9的尺寸不同时，激发三种不同的高阶模式，三根微纳石英毛细管可分别检测不同的参量，实现功能的集成。
进一步地，当所述第一微纳石英毛细管1、所述第二微纳石英毛细管8和所述第三微纳石英毛细管9的第一石英毛细管端区2经分样器与蠕动泵相连用于相同样品的注入，或者与蠕动泵的三个出样口分别相连用于相同或者不同样品的注入，所述第一微纳石英毛细管1、所述第二微纳石英毛细管8和所述第三微纳石英毛细管9的第二石英毛细管端区6用于排出毛细管内剩余的样品，形成完整的微流通道系统。
进一步地，当所述第一微纳石英毛细管1、所述第二微纳石英毛细管8和所述第三微纳石英毛细管9的第二石英毛细管端区6经分样器与蠕动泵相连用于相同样品的注入，或者与蠕动泵的三个出样口分别相连用于相同或者不同样品的注入，所述第一微纳石英毛细管1、所述第二微纳石英毛细管8和所述第三微纳石英毛细管9的第一石英毛细管端区2用于排出毛细管内剩余的样品，形成完整的微流通道系统。
进一步地，当所述第一光纤端区10与光源相连用于光信号的输入时，所述第二光纤端区14与光谱仪或者解调装置相连，用于输出信号的监测，形成完整的光信号通路。
进一步地，当所述第二光纤端区14与光源相连用于光信号的输入时，所述第一光纤端区10与光谱仪或者解调装置相连，用于输出信号的监测，形成完整的光信号通路。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
本发明公开的集成光微流控传感器，基于微纳石英毛细管和微纳光纤平行结构的光微流传感器，实现了高灵敏度和高稳定性的光流控传感器的功能集成和信号集成，可实现各种生物、医学、化学等的多参量同时传感测量，操作方便，成本低廉，便携性好，易于实用化。
附图说明
图1是本发明公开的一种集成光微流控传感器的结构示意图；
图2是本发明公开的一种集成光微流控传感器的截面示意图；
其中，1---第一微纳石英毛细管，2---第一微纳石英毛细管端区，3---第一微纳石英毛细管锥区，4---微纳石英毛细管均匀区，5---第二微纳石英毛细管锥区，6---第二微纳石英毛细管端区，7---微纳光纤，8---第二微纳石英毛细管，9---第三微纳石英毛细管，10---第一微纳光纤端区，11---第一微纳光纤锥区，12---微纳光纤均匀区，13---第二微纳光纤锥区，14---第二微纳光纤端区。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如附图1和图2所示，其中，图1是本发明公开的一种集成光微流控传感器的结构示意图，图2是本发明公开的一种集成光微流控传感器的截面示意图，图1中公开的一种集成光微流控传感器，包括：一根微纳光纤7和三根组成结构相同的第一微纳石英毛细管1、第二微纳石英毛细管8、第三微纳石英毛细管9。
微纳光纤与三根微纳石英毛细管处处保持平行的相对位置关系，并封装于低折射率紫外胶中。
其中，微纳光纤7的结构包括第一光纤端区10、第二光纤端区14、第一微纳光纤锥区11、第二微纳光纤锥区13和微纳光纤均匀区12。
具体实施方式中，所述第一微纳光纤锥区11和所述第二微纳光纤锥区13分别位于所述微纳光纤均匀区12的两端，所述第一光纤端区10位于所述第一微纳光纤锥区11的外端，所述第二光纤端区14位于所述第二微纳光纤锥区13的外端。
其中，第一微纳石英毛细管1、第二微纳石英毛细管8、第三微纳石英毛细管9的组成结构相同，只是尺寸大小存在差异。下面以第一微纳石英毛细管1为例具体说明其结构组成，其它的第二微纳石英毛细管8和第三微纳石英毛细管9组成结构相同。
第一微纳石英毛细管1的结构包括第一石英毛细管端区2、第二石英毛细管端区6、第一微纳石英毛细管锥区3、第二微纳石英毛细管锥区5和微纳石英毛细管均匀区4，上述各区构成微流通道。
三根组成结构相同的微纳石英毛细管构成三个独立的微流通道。
具体实施方式中，所述第一微纳石英毛细管锥区3和所述第二微纳石英毛细管锥区5分别位于所述微纳石英毛细管均匀区4的两端，所述第一石英毛细管端区2位于所述第一微纳石英毛细管锥区3的外端，所述第二石英毛细管端区6位于所述第二微纳石英毛细管锥区5的外端。
这样便形成了三个微流通道与一个光信号通道的光微流控传感器。
第一光纤端区10和第二光纤端区14用于光信号的输入和输出，第一微纳光纤锥区11和第二微纳光纤锥区13用于实现高阶模式的激发，所述第一微纳石英毛细管1、所述第二微纳石英毛细管8和所述第三微纳石英毛细管9的第一微纳石英毛细管锥区3和第二微纳石英毛细管锥区5均分别与所述第一微纳光纤锥区11和所述第二微纳光纤锥区13并排平行，实现模式耦合。
激发的高阶模式在微纳石英毛细管均匀区4和微纳光纤均匀区12组成的复合波导结构中传输。微纳光纤高阶模式的倏逝场可与分别渗透入第一微纳石英毛细管1、第二微纳石英毛细管8、第三微纳石英毛细管9的内部一定距离，实现光与物质的相互作用，达到传感测量的目的。
发生耦合的高阶模式取决于微纳石英毛细管的尺寸，当第一微纳石英毛细管1、第二微纳石英毛细管8、第三微纳石英毛细管9的尺寸相同时，激发相同的高阶模式，三根微纳石英毛细管检测相同的东西，可实现传感信号的放大。当第一微纳石英毛细管1、第二微纳石英毛细管8、第三微纳石英毛细管9的尺寸不同时，激发三种不同的高阶模式，三根微纳石英毛细管可分别检测不同的参量，实现功能的集成，三种高阶模式分别与基模发生干涉，光纤输出三种频率不同的干涉谱，经傅里叶变换便可实现信号的解调，这样便实现了信号的集成。低折射率紫外胶的封装用于提高结构的稳定性和便携性，不影响传感器的光学传感原理。
当所述第一微纳石英毛细管1、所述第二微纳石英毛细管8和第三微纳石英毛细管9的第一石英毛细管端区2经分样器与蠕动泵相连用于相同样品的注入，或者与蠕动泵的三根出样口分别相连用于相同或者不同样品的注入，所述第一微纳石英毛细管1、所述第二微纳石英毛细管8和第三微纳石英毛细管9的第二石英毛细管端区6用于排出毛细管内剩余的样品，形成完整的微流通道系统。
当所述第一微纳石英毛细管1、所述第二微纳石英毛细管8和第三微纳石英毛细管9的第二石英毛细管端区6经分样器与蠕动泵相连用于相同样品的注入，或者与蠕动泵的三根出样口分别相连用于相同或者不同样品的注入，所述第一微纳石英毛细管1、所述第二微纳石英毛细管8和第三微纳石英毛细管9的第一石英毛细管端区2用于排出毛细管内剩余的样品，形成完整的微流通道系统。
当所述第一光纤端区10与光源相连用于光信号的输入时，所述第二光纤端区14与光谱仪或者解调装置相连，用于输出信号的监测，形成完整的光信号通路。
当所述第二光纤端区14与光源相连用于光信号的输入时，所述第一光纤端区10与光谱仪或者解调装置相连，用于输出信号的监测，形成完整的光信号通路。
综上所述，本实施例公开了一种基于微纳石英毛细管和微纳光纤平行结构的光微流传感器，用于生物、医学、化学等多参量同时测量，实现了高灵敏度和高稳定性的光流控传感器的功能集成和信号集成。由一根微纳光纤和三根尺寸不同的微纳石英毛细管组成，形成结构平行紧凑的集成光微流控传感器。在微纳光纤和微纳石英毛细管均匀区传输的高阶模式的倏逝场与管内部的样品发生相互作用，实现传感测量，微纳石英毛细管的尺寸决定耦合的高阶模式，当三根微纳石英毛细管尺寸相同时激发相同的高阶模式，检测相同的参量，可实现传感信号的放大，当三根微纳石英毛细管尺寸不同时，激发三种不同的高阶模式，便可分别检测不同的参量，实现功能的集成，三种高阶模式分别与基模发生干涉，光纤输出三种频率不同的干涉谱，经傅里叶变换实现信号的解调，这样便实现信号的集成。该传感器可实现各种生物、医学、化学等的多参量同时传感测量，操作方便，成本低廉，便携性好，易于实用化。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种集成光微流控传感器，其特征在于，所述传感器包括：一根微纳光纤(7)和三根组成结构相同的第一微纳石英毛细管(1)、第二微纳石英毛细管(8)、第三微纳石英毛细管(9)；
所述微纳光纤(7)与三根微纳石英毛细管处处保持平行的相对位置关系，并封装于低折射率紫外胶中；
其中，所述微纳光纤(7)包括：第一光纤端区(10)、第二光纤端区(14)、第一微纳光纤锥区(11)、第二微纳光纤锥区(13)和微纳光纤均匀区(12)，所述第一微纳光纤锥区(11)和所述第二微纳光纤锥区(13)分别位于所述微纳光纤均匀区(12)的两端，所述第一光纤端区(10)位于所述第一微纳光纤锥区(11)的外端，所述第二光纤端区(14)位于所述第二微纳光纤锥区(13)的外端；
其中，所述第一微纳石英毛细管(1)、所述第二微纳石英毛细管(8)和所述第三微纳石英毛细管(9)均包括：第一石英毛细管端区(2)、第二石英毛细管端区(6)、第一微纳石英毛细管锥区(3)、第二微纳石英毛细管锥区(5)和微纳石英毛细管均匀区(4)，所述第一微纳石英毛细管锥区(3)和所述第二微纳石英毛细管锥区(5)分别位于所述微纳石英毛细管均匀区(4)的两端，所述第一石英毛细管端区(2)位于所述第一微纳石英毛细管锥区(3)的外端，所述第二石英毛细管端区(6)位于所述第二微纳石英毛细管锥区(5)的外端；上述各区构成各自构成独立的三个微流通道。
2.根据权利要求1所述的一种集成光微流控传感器，其特征在于，所述第一光纤端区(10)和所述第二光纤端区(14)用于光信号的输入和输出，所述第一微纳光纤锥区(11)或所述第二微纳光纤锥区(13)用于实现高阶模式的激发。
3.根据权利要求2所述的一种集成光微流控传感器，其特征在于，
所述第一微纳石英毛细管(1)、所述第二微纳石英毛细管(8)和所述第三微纳石英毛细管(9)的第一微纳石英毛细管锥区(3)和第二微纳石英毛细管锥区(5)均分别与所述第一微纳光纤锥区(11)和所述第二微纳光纤锥区(13)并排平行，实现模式耦合。
4.根据权利要求2所述的一种集成光微流控传感器，其特征在于，所述第一微纳光纤锥区(11)和所述第二微纳光纤锥区(13)激发的高阶模式在所述微纳石英毛细管均匀区(4)和所述第一微纳石英毛细管(1)、所述第二微纳石英毛细管(8)以及所述第三微纳石英毛细管(9)的微纳光纤均匀区(12)组成的复合波导结构中传输。
5.根据权利要求2所述的一种集成光微流控传感器，其特征在于，所述第一微纳光纤锥区(11)和所述第二微纳光纤锥区(13)激发的高阶模式的倏逝场可与分别渗透入所述第一微纳石英毛细管(1)、所述第二微纳石英毛细管(8)、所述第三微纳石英毛细管(9)的内部一定距离，实现光与物质的相互作用，达到传感测量的目的。
6.根据权利要求2所述的一种集成光微流控传感器，其特征在于，所述第一微纳光纤锥区(11)和所述第二微纳光纤锥区(13)激发的高阶模式取决于各个微纳石英毛细管的尺寸；
当所述第一微纳石英毛细管(1)、所述第二微纳石英毛细管(8)、所述第三微纳石英毛细管(9)的尺寸相同时，激发相同的高阶模式，三根微纳石英毛细管检测相同的东西，可实现传感信号的放大；
当所述第一微纳石英毛细管(1)、所述第二微纳石英毛细管(8)、所述第三微纳石英毛细管(9)的尺寸不同时，激发三种不同的高阶模式，三根微纳石英毛细管可分别检测不同的参量，实现功能的集成。
7.根据权利要求1至6任一所述的一种集成光微流控传感器，其特征在于，
当所述第一微纳石英毛细管(1)、所述第二微纳石英毛细管(8)和所述第三微纳石英毛细管(9)的第一石英毛细管端区(2)经分样器与蠕动泵相连用于相同样品的注入，或者与蠕动泵的三个出样口分别相连用于相同或者不同样品的注入，所述第一微纳石英毛细管(1)、所述第二微纳石英毛细管(8)和所述第三微纳石英毛细管(9)的第二石英毛细管端区(6)用于排出毛细管内剩余的样品，形成完整的微流通道系统。
8.根据权利要求1至6任一所述的一种集成光微流控传感器，其特征在于，
当所述第一微纳石英毛细管(1)、所述第二微纳石英毛细管(8)和所述第三微纳石英毛细管(9)的第二石英毛细管端区(6)经分样器与蠕动泵相连用于相同样品的注入，或者与蠕动泵的三个出样口分别相连用于相同或者不同样品的注入，所述第一微纳石英毛细管(1)、所述第二微纳石英毛细管(8)和所述第三微纳石英毛细管(9)的第一石英毛细管端区(2)用于排出毛细管内剩余的样品，形成完整的微流通道系统。
9.根据权利要求1至6任一所述的一种集成光微流控传感器，其特征在于，
当所述第一光纤端区(10)与光源相连用于光信号的输入时，所述第二光纤端区(14)与光谱仪或者解调装置相连，用于输出信号的监测，形成完整的光信号通路。
10.根据权利要求1至6任一所述的一种集成光微流控传感器，其特征在于，
当所述第二光纤端区(14)与光源相连用于光信号的输入时，所述第一光纤端区(10)与光谱仪或者解调装置相连，用于输出信号的监测，形成完整的光信号通路。
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