CN107576620B - 一种基于边孔和哑铃光纤的全光纤微流芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于边孔和哑铃光纤的全光纤微流芯片，包括边孔光纤1、哑铃光纤2、石英套管3、进样密封模块4、超连续谱光源5、微量注射泵6、废液池7、光谱仪8、电脑9；两段边孔光纤焊接于哑铃光纤两侧，经腐蚀、50nm厚SPR（表面等离子体共振）金属膜镀制、石英套管套装后，左侧边孔光纤两孔道分别加载进样密封模块并与微量注射泵连接，右侧边孔光纤两孔道分别加载进样密封模块并与废液池连接，超连续谱光源输出单模光纤焊接左侧边孔光纤，右侧边孔光纤焊接单模光纤后接光谱仪；本发明构造了全光纤SPR检测微流芯片，上下两孔道可实现时分复用双通道检测，亦可在上下两孔道镀制不同金属膜实现基于波分复用技术的双通道检测。

Description

一种基于边孔和哑铃光纤的全光纤微流芯片
技术领域
本发明属于光纤微流芯片SPR传感检测领域，具体涉及一种基于边孔和哑铃光纤的全光纤微流芯片。
背景技术
微流控（Micro fluidics）一词出现在20世纪90年代初，指的是在微米尺度上操作和控制流体的技术。经过二十多年的发展，微流控技术从最初的单一功能的流体控制器件发展到了现在的多功能集成、应用非常广泛的微流控芯片技术，在分析化学、医学诊断、细胞筛选、基因分析、药物输运等领域得到了广泛应用。相比于传统方法，微流控技术具有体积小、检测速度快、试剂用量小、成本低、多功能集成、通量高等特点。
目前，用于制作微流控芯片的微加工技术大多继承自半导体工业，其加工过程工序繁多，且依赖于价格高昂的先进设备。在微流控芯片的制作中常用的加工方法包括：硅/聚合物表面微加工、软印、压印、注射成型、激光烧蚀等。这些加工过程都需要在超净间内完成，工序复杂，需占用大量空间，且需要富有经验的设计和加工人员。本发明提出的采用微结构光纤，通过光纤微加工技术制成的全光纤构成微流芯片，相比于其它微加工技术，极大地降低了微流控芯片的技术门槛和加工成本，对微流控芯片技术的推广应用有着非常积极的意义。
表面等离子体共振生物传感器已被越来越多地用于生物分子相互作用、化学和生物分析物反应检测中。在这些领域中，SPR生物传感器可对分析物（例如抗原，DNA）及固定在SPR传感器金属膜上的特异性结合体（例如抗体，互补DNA）之间的相互作用进行实时测量。SPR传感平台通常是基于Kretschmann结构的，由薄的高导电金属（常见的是金或者银）层覆盖在棱镜表面组成。其反射光谱的特性对临近金属层外侧介质的折射率是高度敏感的。
为了提高SPR的检测效率，通常将微流控技术与SPR相结合，即在SPR生物传感器中使用微流控芯片作为反应装置。基于微型化带来的优势，使用微流控芯片作为反应装置可以有效地缩短检测的时间，并减少样品消耗。微流控芯片还可以平行排布相同的结构单元，提高SPR生物传感器的检测通量。因此，使用微流控芯片作为反应装置是SPR生物传感器，特别是商品化的SPR生物传感器的发展趋势，微流控芯片-SPR技术在医学领域的研究将更加深入。微流控芯片通过微加工技术将微管道、微泵、微阀、微储液器、微电极、微检测元件、窗口和连接器等具备不同功能的微器件集成在一起，使之成为微型全分析系统。
综上，本发明提出一种基于边孔和哑铃光纤的全光纤SPR检测微流芯片，本发明采用微结构光纤，通过光纤微加工技术构造全光纤SPR检测微流芯片，上下两孔道可实现时分复用双通道检测，亦可在上下两孔道镀制不同金属膜实现基于波分复用技术的同时双通道检测。相比于传统的微加工技术，全光纤微流控芯片具有设计加工快速、成本低廉等优势。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于边孔和哑铃光纤的全光纤微流芯片，上下两孔道可实现时分复用双通道检测，亦可在上下两孔道镀制不同金属膜实现基于波分复用技术的双通道检测。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于边孔和哑铃光纤的全光纤微流芯片，包括边孔光纤1、哑铃光纤2、石英套管3、进样密封模块4、超连续谱光源5、微量注射泵6、废液池7、光谱仪8、电脑9；两段边孔光纤焊接于哑铃光纤两侧，再经氢氟酸腐蚀、50nm厚SPR（表面等离子体共振）传感金属膜镀制、石英套管套装、点胶密封后制成全光纤微流芯片，左侧边孔光纤两孔道分别加载进样密封模块后与微量注射泵连接，右侧边孔光纤两孔道分别加载进样密封模块后与废液池连接，超连续谱光源输出单模光纤焊接左侧边孔光纤，右侧边孔光纤焊接单模光纤后接光谱仪，光谱仪采集数据送入计算机处理；构造的全光纤SPR检测微流芯片，上下两孔道可实现时分复用双通道检测，亦可在上下两孔道镀制不同金属膜实现基于波分复用技术的同时双通道检测。
进一步，所述的边孔光纤1包层1-1直径125μm，呈圆形；中心轴对称分布有两直径48μm的孔道1-3、1-4；纤芯1-2位于光纤中央，为椭圆形，长轴轴距10μm，短轴轴距5μm。
进一步，所述的哑铃光纤2包层2-1直径125μm，呈哑铃形状；中心轴对称分布有两直径48μm的外侧开放孔道2-3、2-4；纤芯2-2位于光纤中央，为椭圆形，长轴轴距10μm，短轴轴距5μm；将两段边孔光纤分别在哑铃光纤两侧，将纤芯与孔道对准后进行焊接，浸入75%氢氟酸将哑铃光纤纤芯两侧薄包层腐蚀掉，纤芯裸露于空气中；用磁控溅射法在裸露纤芯的哑铃芯光纤两侧通道中分别镀制50nm金或银薄膜，构成SPR传感膜；宽谱光在纤芯中传输时，倏逝场泄露至金属膜中，倏逝场中某波长光与金属中自由电子运动共振，发生SPR效应。
进一步，所述的石英套管3内径为126μm，外径500μm，材质为纯石英；将其套入制作好的光纤SPR探针后，两端用紫外固化胶与光纤缝隙密封，使哑铃光纤开放通道被石英套管包覆。
进一步，所述的进样密封模块4包括一端密封的毛细钢管4-1、毛细钢管两侧的直径126μm开孔4-2、4-3，用157nm深紫外激光器在边孔光纤一个通道正上方开的精密开孔4-4，将开孔后的边孔光纤插入毛细钢管两侧开孔4-2、4-3后，用紫外固化胶密封后构成密封模块4；毛细钢管插入聚乙烯导管密封后与微量注射泵连接可将注射器中的待测溶液压入边孔光纤孔道中，也可与废液池连接排出边孔光纤孔道中的废液。
进一步，所述的超连续谱光源5为NKT Photonics的Superk Compact型号，波长范围450-2400nm，总功率大于100mW，0-100%可调，单模光纤输出接口，用裸纤适配器夹持单模光纤输出宽谱光。
本发明的有益效果在于：提出了一种基于边孔和哑铃光纤的全光纤SPR检测微流芯片，采用边孔光纤和哑铃光纤两种微结构光纤，通过光纤放电熔接技术将边孔光纤与哑铃光纤两孔道对接构成微流通道，采用氢氟酸腐蚀使哑铃光纤纤芯暴露于空气中，产生强倏逝场，并用磁控溅射法镀制50nm厚的SPR传感金膜，使其具有SPR传感检测功能。用石英套管对加工后的哑铃光纤进行点胶封装，并在进样边孔光纤两通道上分别加载进样模块后与微量注射泵连接。巧妙的实现了全光纤SPR检测微流芯片，设计制作周期只需几小时，极大地降低了微流控芯片的技术门槛和加工成本，对微流控芯片技术的推广应用有着非常积极的意义。同时，本发明提出的双孔道全光纤SPR微流芯片，上下两孔道不同时间分别通入待检测溶液，可以实现基于时分复用技术的双通道SPR微流检测；而在哑铃光纤上下两侧分别镀制不同金属膜时，可以同时在上下两通道通入待测溶液，实现基于波分复用技术的双通道SPR检测。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明的整体组成示意图；
图2为边孔光纤结构示意图；
图3为哑铃光纤结构示意图；
图4为哑铃光纤两侧对孔焊接边孔光纤，构成双通道微流芯片结构示意图；
图5为图4中、/>平面对应的剖面图，其中图（a）为边孔光纤剖面图，对应于平面；图（b）为哑铃光纤剖面图，对应于/>平面；
图6为封装后的全光纤微流芯片结构示意图；
图7为进样密封模块结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
一种基于边孔和哑铃光纤的全光纤微流芯片：截取一段图3所示哑铃光纤，长为10cm，在其一端用刀片剥除涂覆层3cm，用光纤擦拭纸蘸取酒精擦拭干净，并使用光纤切割刀将其端面切割平整；截取两段图2所示边孔光纤，长为1m，在一端用刀片剥除涂覆层3cm，用光纤擦拭纸蘸取酒精擦拭干净，并使用光纤切割刀将其端面切割平整；将处理好的哑铃光纤和一根边孔光纤装于保偏光纤焊接机中，控制两根光纤旋转，使两根光纤的纤芯与两孔道对准，并采用小电流放电焊接，防止光纤孔道变形。焊机完成后，在显微镜下，用光纤切割刀切掉哑铃光纤没剥除涂覆层侧，使焊接在边孔光纤上的裸哑铃光纤长度为2cm。处理完成后再次将另外一根处理好的边孔光纤焊接在哑铃光纤上，形成哑铃光纤两侧对孔焊接边孔光纤，构成双通道微流芯片结构，如图4所示。图5为图4中、/>平面对应的剖面图，其中图（a）为边孔光纤剖面图，对应于/>平面，边孔光纤1包层1-1直径125μm，呈圆形；中心轴对称分布有两直径48μm的孔道1-3、1-4；纤芯1-2位于光纤中央，为椭圆形，长轴轴距10μm，短轴轴距5μm；图（b）为哑铃光纤剖面图，对应于/>平面，哑铃光纤2包层2-1直径125μm，呈哑铃形状；中心轴对称分布有两直径48μm的外侧开放孔道2-3、2-4；纤芯2-2位于光纤中央，为椭圆形，长轴轴距10μm，短轴轴距5μm。
将初步制作完成的光纤微流芯片浸入75%氢氟酸溶液中，腐蚀0.5min，去除掉哑铃光纤纤芯表面的薄包层；将光纤微流芯片用微量注射泵在两端头分别注入洁净空气，蒸馏水，去除边孔光纤中由于毛细现象残余的氢氟酸，经烘干后放入等离子清洗机中清洗5min；将处理好后的光纤微流芯片在显微镜下一侧孔道向上固定于载玻片上，放于磁控溅射仪金靶下方，镀制50nm金膜，则哑铃光纤纤芯一侧镀制了50nm厚的SPR传感金膜；镀制完成后，在显微镜下将哑铃光纤另一侧孔道向上固定于载玻片上，放置于磁控溅射仪银靶下方，镀制50nm银膜，则哑铃光纤纤芯另一侧镀制了50nm厚的SPR传感银膜。当哑铃光纤纤芯中注入宽谱光源时，由于包层被腐蚀去除，倏逝场直接与上下两侧金属膜作用，倏逝波中某波长光与金属膜中自由电子振动共振，发生SPR效应。
如图6所示，取石英套管3，内径为126μm，外径500μm，材质为纯石英；将其套入制作好的光纤SPR检测微流芯片后，两端用紫外固化胶与光纤缝隙密封，使哑铃光纤开放通道被石英套管包覆，构成图6所示的封装后的全光纤微流芯片。
如图7所示，制作进样密封模块4，取一端密封的毛细钢管4-1、毛细钢管两侧开直径126μm的孔4-2、4-3，用157nm深紫外激光器在边孔光纤一个通道正上方的进行精密开孔，开孔为4-4，将开孔后的边孔光纤插入毛细钢管两侧开孔4-2、4-3后，用紫外固化胶密封光纤与毛细钢管的插入孔，构成密封模块4；毛细钢管插入聚乙烯导管密封后与微量注射泵连接，即可将注射器中的待测溶液压入边孔光纤孔道中，也可与废液池连接排出边孔光纤孔道中的废液。
本发明的整体工作系统如图1所示，将制作完成的全光纤SPR检测微流芯片左侧进样边孔光纤两孔道分别加载进样密封模块后与微量注射泵连接，右侧出样边孔光纤两孔道分别加载进样密封模块后与废液池连接，超连续谱光源输出单模光纤焊接左侧边孔光纤，右侧边孔光纤焊接单模光纤后接光谱仪，光谱仪采集数据送入计算机处理；构造的全光纤SPR检测微流芯片，上下两孔道可实现基于波分复用技术的双通道SPR检测。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种基于边孔和哑铃光纤的全光纤微流芯片，包括边孔光纤（1）、哑铃光纤（2）、石英套管（3）、进样密封模块（4）、超连续谱光源（5）、微量注射泵（6）、废液池（7）、光谱仪（8）、电脑（9），其特征在于：所述的边孔光纤（1）包层（1-1）直径125μm，呈圆形；中心轴对称分布有两直径48μm的孔道（1-3）、（1-4）；所述的哑铃光纤（2）包层（2-1）直径125μm，呈哑铃形状；中心轴对称分布有两直径48μm的外侧开放孔道（2-3）、（2-4）；纤芯（2-2）位于光纤中央，为椭圆形，长轴轴距10μm，短轴轴距5μm；两段边孔光纤（1）焊接于哑铃光纤（2）两侧，边孔光纤纤芯（1-2）与哑铃光纤纤芯（2-2）正对，边孔光纤孔道（1-3）与哑铃光纤开放孔道（2-3）正对，边孔光纤孔道（1-4）与哑铃光纤开放孔道（2-4）正对；再经氢氟酸腐蚀、50nm厚SPR（表面等离子体共振）传感金属膜镀制于哑铃光纤开放孔道（2-3）、（2-4）处、石英套管套装、点胶密封后制成全光纤微流芯片，左侧边孔光纤两孔道分别加载进样密封模块后与微量注射泵连接，右侧边孔光纤两孔道分别加载进样密封模块后与废液池连接，超连续谱光源输出单模光纤焊接左侧边孔光纤，右侧边孔光纤焊接单模光纤后接光谱仪，光谱仪采集数据送入计算机处理；构造的全光纤SPR检测微流芯片，上下两孔道可实现时分复用双通道检测，亦可在上下两孔道镀制不同金属膜实现基于波分复用技术的同时双通道检测。
2.根据权利要求1所述的一种基于边孔和哑铃光纤的全光纤微流芯片，其特征在于：将两段边孔光纤分别在哑铃光纤两侧，将纤芯与孔道对准后进行焊接后，浸入75%氢氟酸将哑铃光纤纤芯两侧薄包层腐蚀掉，纤芯裸露于空气中；用磁控溅射法在裸露纤芯的哑铃芯光纤两侧开放孔道（2-3）、（2-4）中分别镀制50nm金或银薄膜，构成SPR传感膜；宽谱光在纤芯中传输时，倏逝场泄露至金属膜中，倏逝场中某波长光与金属中自由电子运动共振，发生SPR效应。
3.根据权利要求1所述的一种基于边孔和哑铃光纤的全光纤微流芯片，其特征在于：所述的石英套管（3）内径为126μm，外径500μm，材质为纯石英；将其套入制作好的光纤SPR探针，使其处于哑铃光纤（2）处，两端用紫外固化胶与光纤缝隙密封，使哑铃光纤开放通道被石英套管包覆。
4.根据权利要求1所述的一种基于边孔和哑铃光纤的全光纤微流芯片，其特征在于：所述的进样密封模块（4）包括一端密封的毛细钢管（4-1）、毛细钢管两侧直径126μm的开孔（4-2）、（4-3），用157nm深紫外激光器在边孔光纤一个通道正上方开的精密开孔（4-4），将开孔后的边孔光纤插入毛细钢管两侧开孔（4-2）、（4-3）后，用紫外固化胶密封后构成密封模块（4）；毛细钢管插入聚乙烯导管密封后与微量注射泵连接可将注射器中的待测溶液压入边孔光纤孔道中，也可与废液池连接排出边孔光纤孔道中的废液。
5.根据权利要求1所述的一种基于边孔和哑铃光纤的全光纤微流芯片，其特征在于：所述的超连续谱光源（5）为NKT Photonics的Superk Compact型号，波长范围450-2400nm，总功率大于100mW，0-100%可调，单模光纤输出接口，用裸纤适配器夹持单模光纤输出宽谱光。
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