CN107084918B - 一种基于光纤操控单个微球的浓度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于传感器技术领域，提供一种基于光纤操控单个微球的浓度传感器，包括微流芯片、单分散微球、微量进样泵、微取样器、单模光纤、泵浦激光器及带CCD的显微镜，其特征在于：所述微流芯片中集成微流通道，单模光纤的一端为平端面，平端面置于微流通道中、且与微流通道共轴，单模光纤另一端连接泵浦激光器；所述单分散微球加入待测溶液中，微取样器抽取待测溶液，通过微量进样泵注入微流通道中；所述泵浦激光器产生泵浦激光通过单模光纤传输、经平端面出射，采用带CCD的显微镜实时检测微球与光钎平端面的间距，通过间距检测实现浓度传感。本发明浓度传感器灵敏度高，且加工过程简单、制备成本低、易与微流芯片集成。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种基于光纤操控单个微球的浓度传感器。
背景技术
传统的光纤浓度传感基于微干涉仪或光栅结构；干涉型浓度传感器基于相位解调，灵敏度高；光栅型浓度传感器基于波长解调，有复用潜力。但两者都需要较复杂的加工过程，导致其成本较高。本发明提出基于光纤操控单个微球的浓度传感器，加工方法简单，只需切割单模光纤即可得到；光纤操控基于光力效应，由于光力通常为皮牛量级，因此有实现高灵敏度传感的潜力；该传感器能够感知溶液浓度变化引起的微弱斯托克斯阻力的变化，是一种非接触式的传感方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种基于光纤操控单个微球的浓度传感器，该浓度传感器灵敏度高，且加工过程简单、制备成本低、易与微流芯片集成。为实现该目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于光纤操控单个微球的浓度传感器，包括微流芯片、单分散微球、微量进样泵、微取样器、单模光纤、泵浦激光器及带CCD的显微镜，其特征在于：所述微流芯片中集成微流通道，单模光纤的一端为平端面，平端面置于微流通道中、且与微流通道共轴，单模光纤另一端连接泵浦激光器；所述单分散微球加入待测溶液中，微取样器抽取待测溶液，通过微量进样泵注入微流通道中；所述泵浦激光器产生泵浦激光通过单模光纤传输、经平端面出射，采用带CCD的显微镜实时检测微球与光钎平端面的间距，通过间距检测实现浓度传感。
进一步的，所述单分散微球的直径为5～10μm。
所述单模光纤的平端面的出射场为发散场，激光出射的方向与微流的流向相对。
从工作原理上讲，如图2所示，所述泵浦激光器产生泵浦激光通过单模光纤传输、经平端面出射，同时提供散射力Fs和梯度力Ftg，梯度力Ftg将微球束缚在光轴上、散射力沿着光的出射方向，通过控制微流的流速和光功率，使得微流对微球的斯托克斯阻力Fv与散射力Fs达到平衡，即Fv＝Fs，则微流被捕获；当泵浦功率、温度、流速、微球直径都不变时，微流浓度变大，液体的粘滞系数变大，Fv变大，光纤端面与被操控微球之间的间距(即操控距离)变小；通过CCD的显微镜实时检测操控距离，实现浓度传感。
本发明的有益效果为：
1.光操控力为皮牛量级，与之平衡的微流斯托克斯阻力极小；斯托克斯阻力与浓度成正比，因此，本发明浓度传感器具有较高灵敏度；
2.本发明浓度传感器加工过程非常简单、制备成本极低；
3.本发明浓度传感器能够与微流芯片集成，实现微流浓度传感，体积小。
附图说明
图1为本发明基于光纤操控单个微球的浓度传感器结构示意图，
其中，1为微进样泵，2为微取样器，3为微流芯片，4为带CCD的显微镜，5为计算机，6为泵浦激光器，7为单模光纤，8为单分散微球(实施例中采用聚苯乙烯微球)。
图2为本发明单个微球在微流通道内的受力示意图。
图3为本发明实施例中浓度传感标定曲线，泵浦激光功率为100.98mW，流速为120nL/min。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步的详细说明。
本实施例提供一种基于光纤操控单个微球的浓度传感器，其结构如图1所示，本实施例以测量氯化钠溶液浓度为例，其中单分散微球采用聚苯乙烯微球；计算机与带CCD的显微镜4配套使用，用于实时检测操控距离。其工作具体工程包括以下步骤：
步骤1：打开计算机，开启显微镜，在计算机上打开显微镜的配套软件，将微流芯片置于显微镜的载物台上，调整其位置，设置曝光时间、对比度等，达到最佳观测效果；
步骤2：将聚苯乙烯微球加入去离子水中，用50微升的微取样器抽取适量样品，打开微进样泵，将微取样器置于微进样泵的支架上，连接注射端口，将液体注入微流芯片；将平端面光纤插入微流通道，调节光纤横向位置，使其处于通道中央；
步骤3：开启泵浦激光器，实现微球捕获；调节光功率和流速，使得微球在显微视场中处于最大操控距离，此时的光功率和流速为用于浓度传感的最佳值；使用980nm泵浦激光器，光功率为100.98mW，注射流速为120nL/min；
步骤4：用去离子水配置各种已知浓度的氯化钠溶液，通过显微成像软件获取光纤操控单个微球的图像，图像处理得到操控距离。重复测量不同浓度的溶液，建立操控距离与浓度的对应关系，得到传感器标定曲线，如图3所示；
步骤5：将未知浓度的待测样品注入微流通道，通过测量对应的操控距离，结合标定曲线测得待测样品的浓度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (3)
1.一种基于光纤操控单个微球的浓度传感器，包括微流芯片、单分散微球、微量进样泵、微取样器、单模光纤、泵浦激光器及带CCD的显微镜，其特征在于：所述微流芯片中集成微流通道，单模光纤的一端为平端面，平端面置于微流通道中、且与微流通道共轴，单模光纤另一端连接泵浦激光器；所述单分散微球加入待测溶液中，微取样器抽取待测溶液，通过微量进样泵注入微流通道中；所述泵浦激光器产生泵浦激光通过单模光纤传输、经平端面出射，同时提供散射力Fs和梯度力Ftg，梯度力将微球束缚在光轴上、散射力沿着光的出射方向，通过控制微流的流速和光功率，使得微流对微球的斯托克斯阻力Fv与散射力Fs达到平衡，则微流被捕获；当泵浦功率、温度、流速、微球直径都不变时，微流浓度变大，液体的粘滞系数变大，斯托克斯阻力Fv变大，光纤端面与被操控微球之间的间距变小；采用带CCD的显微镜实时检测微球与光纤平端面的间距，通过间距检测实现浓度传感。
2.按权利要求1所述基于光纤操控单个微球的浓度传感器，其特征在于，所述单分散微球的直径为5～10μm。
3.按权利要求1所述基于光纤操控单个微球的浓度传感器，其特征在于，所述单模光纤的平端面的出射场为发散场，激光出射的方向与微流的流向相对。
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