CN107589275B

CN107589275B - 一种基于光微流染料激光的流速传感方法及装置

Info

Publication number: CN107589275B
Application number: CN201710650211.3A
Authority: CN
Inventors: 龚元; 龚朝阳; 杨宏霞; 范茂雯; 饶云江
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2017-08-02
Filing date: 2017-08-02
Publication date: 2020-01-14
Anticipated expiration: 2037-08-02
Also published as: CN107589275A

Abstract

本发明公开了一种基于光微流染料激光的流速传感方法及装置。该流速传感系统包括高重频脉冲激光器、透镜、反射镜、法珀腔镜、微量进样泵、注射器、塑料毛细管、2根方形玻璃毛细管、光电探测器和数据采集卡。染料注入毛细管，法珀谐振腔提供光反馈，并在脉冲激光泵浦下形成微流激光。微流的流速增大，微流激光输出的衰减时间越长。基于此原理，实现流速传感。本发明具有灵敏度高、集成度高的特点。

Description

一种基于光微流染料激光的流速传感方法及装置

技术领域

本发明属于传感器领域，具体涉及一种基于光微流染料激光的流速传感方法。

背景技术

微流速的控制与测量对许多微流控芯片应用都至关重要。在流式细胞分析、微粒/细胞计数与分选中，流速直接决定了检测或分选速度，常用于确定单位体积内细胞的绝对数量；在生物制药中，流速也起着重要作用，例如影响细胞增殖、单克隆抗体产生；在化学微反应器研究中，流速直接决定了微液滴形成的速率及其尺寸。因此，微流体的流速控制及其精确测量十分必要。

传统微流速传感方法包括电化学、光热效应、悬臂梁、粒子示踪测速等，其测量范围、灵敏度往往不能满足需求。光微流激光采用微量体积(微升到纳升量级)的液体材料作为增益介质，结合激光谐振腔的高品质因子，可实现高灵敏度传感，并且容易与微流控芯片集成。

发明内容

针对上述问题或不足,本发明根据液体流速增大，微流激光输出的衰减时间越长的特点提出了基于光微流染料激光的流速传感方法。该流速传感方法具有灵敏度高、体积小等特点。

本发明涉及的一种基于光微流染料激光的流速传感方法，传感方法包括以下步骤：

步骤1：将方形玻璃毛细管置于两块法珀腔镜之间，构成法珀谐振腔；

步骤2：将罗丹明染料注入需要检测流量的方形玻璃毛细管，采用高重频脉冲激光器作为泵浦激光，法珀谐振腔提供光反馈，形成微流激光；

步骤3：由光电探测器接收微流激光，并记录电压信号随时间衰减曲线；

步骤4：改变微量进样泵的流速，重复步骤3，测得一系列流速对应的电压随时间衰减曲线；

步骤5：实际测量流速时，采用步骤1到步骤3的方法获得电压随时间衰减曲线，对比步骤4获得的一系列不同流速下的衰减曲线，获得当前的流速。

进一步的，所述步骤5的具体方法为：

步骤5.1：以电压衰减至初始电压的1/e所需要的时间作为衰减时间,e为自然对数的底数，通过函数t＝A exp(x/τ)+t₀拟合衰减时间与流速的关系得到标定曲线(即：衰减时间(Y轴)随流速(X轴)的变化趋势)，t为流速为x时对应的衰减时间，A,τ,t₀为拟合参数；

步骤5.2：实际测量流速时，通过测得衰减时间t，结合拟合函数和拟合参数，反推得到待测流速。

进一步的，所述脉冲激光的参数为：重复频率为4kHz-8KHz，脉冲宽度为5ns-9ns。一方面，该激光器较高的重复频率增强了染料的光漂白效应；另一方面，较窄的脉冲宽度使其具有较高的峰值功率，更容易达到激光阈值。

一种采用基于光微流染料激光的流速传感方法的装置，该装置包括：高重频脉冲激光器、透镜、反射镜、法珀腔镜、微量进样泵、注射器、塑料毛细管、方形玻璃毛细管、光电探测器和数据采集卡。其中微量进样泵控制注射器向塑料毛细管注入微量罗丹明染料，塑料毛细管连接方形玻璃毛细管，方形玻璃毛细管设置于法珀谐振腔的两块法珀腔镜之间；采用高重频脉冲激光器发出激光，通过透镜汇聚于两块法珀腔镜之间的方形玻璃毛细管作为泵浦激光，法珀谐振腔提供光反馈，形成微流激光；由光电探测器接收微流激光，并记录电压信号随时间的变化曲线；通过该变化曲线计算出流速。

进一步的，所述法珀谐振腔的两块法珀腔镜之间设置两根方形玻璃毛细管，一根通过微流液体，另一根起支撑作用。

本发明有益效果为：使用低成本的高重频脉冲激光器作为泵浦，产生光微流激光，并实现高性能的流速传感。该方法制作、操作简单，传感性能好。

附图说明

图1是本发明的光微流激光流速传感系统结构示意图；

图2是本发明的结构图中F-P腔截面示意图；

图3是流速为4个不同流速下输出电压信号衰减趋势对比示意图；

图4是本发明的流速传感器标定曲线；

附图标记：1-高重频脉冲激光器，2-透镜，3-反射镜，4、5-方形毛细管，6-光电探测器，7-数据采集卡，8、9-法珀腔镜，10-塑料毛细管，11-注射器，12-微量进样泵。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的描述。

基于光微流染料激光的流速传感器结构如图1所示，包括高重频脉冲激光器、透镜、反射镜、法珀腔镜、微量进样泵、注射器、塑料毛细管、2根方形玻璃毛细管、光电探测器和数据采集卡，

高重频脉冲激光器1波长为532nm，作为泵浦激光；透镜2将泵浦光会聚；反射镜3将聚焦后的泵浦激光反射到玻璃毛细管4上；方形玻璃毛细管4、5平行放置的法珀腔镜8、9中间，并旋紧螺丝固定；玻璃毛细管4作为微流检测通道，玻璃毛细管5起支撑作用(如图2所示)；罗丹明染料作为增益介质，在高重频脉冲激光器1的激励下，产生微流激光，并由光电探测器6接收，由数据采集卡7进行信号分析处理；法珀腔镜8、9和中间放置的方形玻璃毛细管，构成法珀谐振腔结构；检测通道4通过塑料毛细管10连接注射器11，注射器11取罗丹明染料，在微量进样泵12推动下注入塑料毛细管10，并精确控制微流体的流速。

当染料溶液通过检测通道时，上述结构实现了光微流激光。腔镜8、9的反射率大于90％。高重频脉冲激光器1的重复频率为7kHz,脉冲宽度为5ns，在玻璃毛细管4上的单脉冲激光能量为9.2μJ，高于光微流激光的阈值，实现光微流激光输出。通过监测输出激光信号的时域衰减，实现流速传感。

基于光微流染料激光的流速传感器的具体实现包括以下步骤：

步骤一：打开泵浦激光器1、光电探测器6及数据采集卡7、微量进样泵12。

步骤二：配置浓度为1mM的罗丹明乙醇溶液，通过微量进样泵12、注射器11及塑料毛细管10将罗丹明注入检测通道4。设置微量进样泵控制流速，待溶液充满检测通道后，打开泵浦激光，同时由探测器和采集卡监测记录光微流激光的时域输出信号数据。

步骤三：当流速为1μL/min时，光电探测器的时域输出信号如图3a所示，因为荧光材料的光漂白效应，其电压信号随时间衰减。

步骤四：改变微量进样泵的流速，重复步骤3，测得一系列流速对应的电压随时间衰减曲线，如图3b、3c、3d。

步骤五：以电压衰减至初始电压的1/e所需要的时间作为衰减时间，通过函数t＝Aexp(x/τ)+t₀拟合衰减时间与流速的关系得到标定曲线，即：衰减时间(Y轴)随流速(X轴)的变化趋势，如图4所示。t为流速为x时对应的衰减时间，A,τ,t₀为拟合参数，拟合结果分别为0.09658，76.96629，0.0892。

步骤六：实际测量流速时，通过测得衰减时间t，结合拟合函数和拟合参数，反推得到待测流速。

Claims

1.一种基于光微流染料激光的流速传感方法，传感方法包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种基于光微流染料激光的流速传感方法，其特征在于所述步骤5的具体方法为：

步骤5.1：以电压衰减至初始电压的1/e所需要的时间作为衰减时间,e为自然对数的底数，通过函数t＝Aexp(x/τ)+t₀拟合衰减时间与流速的关系得到标定曲线，即：Y轴衰减时间随X轴流速的变化趋势，t为流速为x时对应的衰减时间，A,τ,t₀为拟合参数；

3.如权利要求1所述的一种基于光微流染料激光的流速传感方法，其特征在于所述脉冲激光的参数为：重复频率为4kHz-8KHz，脉冲宽度为5ns-9ns。

4.一种采用基于光微流染料激光的流速传感方法的装置，该装置包括：高重频脉冲激光器、透镜、反射镜、法珀腔镜、微量进样泵、注射器、塑料毛细管、方形玻璃毛细管、光电探测器和数据采集卡，其中微量进样泵控制注射器向塑料毛细管注入微量罗丹明染料，塑料毛细管连接方形玻璃毛细管，方形玻璃毛细管设置于法珀谐振腔的两块法珀腔镜之间；采用高重频脉冲激光器发出激光，通过透镜汇聚于两块法珀腔镜之间的方形玻璃毛细管作为泵浦激光，法珀谐振腔提供光反馈，形成微流激光；由光电探测器接收微流激光，并记录电压信号随时间的变化曲线；通过该变化曲线计算出流速。

5.如权利要求4所述的一种采用基于光微流染料激光的流速传感方法的装置，其特征在于所述法珀谐振腔的两块法珀腔镜之间设置两根方形玻璃毛细管，一根通过微流液体，另一根起支撑作用。