CN107884367B - 一种哑铃光纤spr检测微流芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种哑铃光纤SPR检测微流芯片，包括五芯光纤1、哑铃光纤2、多模光纤3、微流通道模块4、宽谱光源5、五芯光纤分束器6、光谱仪7、微量注射泵8、废液池9、电脑10；2cm长哑铃光纤左侧对位焊接五芯光纤，右侧焊接多模光纤，经腐蚀、50nm厚SPR（表面等离子体共振）金属膜镀制后，封装于微流通道模块中，构成光纤SPR检测微流芯片，宽谱光源通过五芯光纤分束器可分别给五芯光纤各纤芯注光，当五芯光纤中间芯注光时，哑铃光纤纤芯进行SPR检测；当五芯光纤上下两芯注光时，哑铃光纤包层进行SPR检测；当五芯光纤左右两纤芯注光时，哑铃光纤孔道进行溶液吸光谱检测，也可激发荧光物质标记的DNA产生荧光信号。

Description

一种哑铃光纤SPR检测微流芯片
技术领域
本发明属于光纤微流芯片SPR传感检测领域，具体涉及一种哑铃光纤SPR检测微流芯片。
背景技术
表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)，属于一种物理光学现象。入射光由光密介质入射到光疏介质发生全反射时，入射光并非立即反射回光密介质，而是进入到光疏介质，形成倏逝波。当两种介质之间存在几十纳米的金属膜时，形成的倏逝波穿透到金属内部，在特定条件下与金属内部自由电子振荡形成的表面等离子体波产生共振，倏逝波的能量会转移到表面等离子体波中，入射光的大部分能量被吸收，此时在反射光谱上形成一个光强急剧下降的波谷，称作共振峰。当发生SPR时，共振峰的位置与金属层表面介质的折射率相关，当介质的折射率发生变化时，共振峰随之变化。因此，基于共振峰的变化对金属膜附近介质的折射率进行检测，进而实现SPR传感。SPR技术与生物免疫技术相结合构建的SPR生物传感器，在生物分子检测方面得到了广泛的应用。SPR金属表面折射率随着附着生物分子质量而变化，因而SPR共振曲线的动态变化可以反映生物分子相互作用的特异性信息。例如可以实时监测肽类、蛋白质、寡核苷酸，甚至细胞、病毒之间相互作用的全过程。
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。
微流控分析是90年代新兴的分析技术。它采用微细加工技术制成具有微结构的芯片，使生物化学分析中的样品处理、反应、分离检测以及数据处理等全过程都集中在微流控芯片上完成，从而实现了生物化学分析的整体微型化及自动化，同时能够高效、快速的完成试样的分离、分析和检测。作为一种能够在微米级尺度操纵液体的新兴技术，微流控芯片已经受到科学家们的广泛关注。高密度集成的微流控芯片装置可以实现高通量并行化的实验以及多种操作单元的功能一体化，作为一种新的方法学平台，已经越来越多地应用于化学和生命科学的研究中。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。而在微流控制芯片中，微流控制光纤芯片由于具有体积小、检测灵敏度高、制作成本低、制作方法简单等特点，逐渐引起人们的注意。传统的光纤微流芯片是把光纤植入到芯片中，并与微流控制沟道垂直对准，用来激发微流控制沟道中用荧光物质标记的DNA或者氨基酸以产生荧光信号。这种微流控制芯片的好处是：用光纤作为传光介质，光纤所产生的激发光斑与微流控制沟道尺寸大致相当，提高了检测灵敏度，同时也省去了体积庞大、价格昂贵的荧光显微镜。
综上，本发明提出一种哑铃光纤SPR检测微流芯片，采用五芯、哑铃、大芯径多模三种微结构特种光纤，通过光纤微加工、磁控溅射、PDMS微流芯片制作与键合技术，制成的光纤微流芯片，具有多通道SPR检测、溶液吸光谱检测、激发微流通道中用荧光物质标记的DNA或氨基酸以产生荧光信号等功能。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。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种哑铃光纤SPR检测微流芯片，可实现哑铃光纤纤芯与包层的多通道SPR传感，亦可在哑铃光纤孔道进行溶液吸光谱检测，也可激发微流通道中用荧光物质标记的DNA或氨基酸以产生荧光信号。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种哑铃光纤SPR检测微流芯片，包括五芯光纤1、哑铃光纤2、多模光纤3、微流通道模块4、宽谱光源5、五芯光纤分束器6、光谱仪7、微量注射泵8、废液池9、电脑10；2cm长哑铃光纤左侧对位焊接五芯光纤，右侧焊接多模光纤，经腐蚀、50nm厚SPR(表面等离子体共振)金属膜镀制后，封装于微流通道模块中，构成光纤SPR检测微流芯片，微量注射泵装载待测溶液与微流芯片进样口密封连接，微流芯片出样口连接废液池，多模光纤输出端与光谱仪连接采集SPR信号并送入计算机处理，宽谱光源通过五芯光纤分束器可分别给五芯光纤各纤芯注光，当五芯光纤中间芯注光时，哑铃光纤纤芯进行SPR检测；当五芯光纤上下两芯注光时，哑铃光纤包层进行SPR检测；当五芯光纤左右两纤芯注光时，哑铃光纤孔道进行溶液吸光谱检测，也可激发微流通道中用荧光物质标记的DNA或氨基酸以产生荧光信号。
进一步，所述的五芯光纤1为包层直径125μm的微结构多芯光纤，每根纤芯直径6μm，500-1000nm波段光在其中以单模形式传输，在圆形包层1-1的圆心处有一根纤芯1-2，其余四根纤芯1-3、1-4、1-5、1-6围绕圆心对称分布。
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，为圆形，直径6μm，500-1000nm波段光在其中以单模形式传输；
进一步，所述的多模光纤3为阶跃折射率或渐变折射率多模光纤，纤芯3-2直径110μm，包层3-1直径125μm，数值孔径0.37；利用保偏焊接机，将2cm长哑铃光纤左侧对位焊接五芯光纤，右侧焊接多模光纤，氢氟酸腐蚀去掉哑铃光纤纤芯上的薄包层，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，所述的微流通道模块4由PDMS(聚二甲基硅氧烷)制成，基体4-1成型后，键合封装哑铃光纤SPR传感探针，光纤探针位于主通道4-2中，四个进出样通道4-3端头设置有样品池接口4-4以及废液池接口4-5。
进一步，所述的宽谱光源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。
进一步，所述的五芯光纤分束器6为波导型微结构光纤分束器件，工作波长范围450-2400nm，可通过分束器尾部的五根引出单模光纤分别给五芯光纤各纤芯注光。
本发明的有益效果在于：提出了一种哑铃光纤SPR检测微流芯片，采用五芯、哑铃、大芯径多模三种微结构特种光纤，通过光纤微加工、磁控溅射、PDMS微流芯片制作与键合技术，制成的光纤微流芯片，具有多通道SPR检测、溶液吸光谱检测、激发微流通道中用荧光物质标记的DNA或氨基酸以产生荧光信号等功能。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。当五芯光纤中间芯注光时，哑铃光纤纤芯进行SPR检测，由于哑铃光纤纤芯为单模，与传统多模光纤SPR传感器相比，由于传输模式只有基模，具有极高的平均灵敏度；当五芯光纤上下两芯注光时，哑铃光纤包层进行SPR检测，与纤芯SPR传感通道构成多通道SPR传感，经算法处理，可以有效剔除非特异性响应；当五芯光纤左右两纤芯注光时，哑铃光纤孔道进行溶液吸光谱检测，也可激发微流通道中用荧光物质标记的DNA或氨基酸以产生荧光信号。
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为微加工的光纤SPR传感探针结构示意图；
图3为图2中AA′、BB′、CC′平面对应的剖面图，其中图(a)为五芯光纤剖面图，对应于AA′平面；图(b)为哑铃光纤剖面图，对应于BB′平面；图(c)为多模光纤剖面图，对应于CC′平面；
图4为PDMS微流通道模块通道示意图。
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。
一种哑铃光纤SPR检测微流芯片：如图2所示，截取一段哑铃光纤，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；截取一段五芯光纤，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五芯光纤装于保偏光纤焊接机中，控制两根光纤上下左右位置，使五芯光纤的纤芯与哑铃光纤纤芯对准，控制两根光纤旋转，使五芯光纤的左右纤芯与哑铃光纤两孔道对准，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，使焊接在五芯光纤上的裸哑铃光纤长度为2cm。将多模光纤剥除涂覆层，切割平整后，焊接在哑铃光纤另外一侧，初步构成图2所示微结构光纤探针结构。图3为图2中AA′、BB′平面对应的剖面图，其中图(a)为五芯光纤剖面图，对应于AA′平面，五芯光纤1为包层直径125μm的微结构多芯光纤，每根纤芯直径6μm，500-1000nm波段光在其中以单模形式传输，在圆形包层1-1的圆心处有一根纤芯1-2，其余四根纤芯1-3、1-4、1-5、1-6围绕圆心对称分布；图(b)为哑铃光纤剖面图，对应于BB′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，为圆形，直径6μm，500-1000nm波段光在其中以单模形式传输；图(c)为多模光纤剖面图，多模光纤3为阶跃折射率多模光纤，纤芯3-2直径110μm，包层3-1直径125μm，数值孔径0.37。
将初步制作完成的微结构光纤探针浸入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；用蒸馏水清洗，去除微结构光纤探针上残余的氢氟酸，经烘干后放入等离子清洗机中清洗5min；将处理好后的微结构光纤探针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金膜，则哑铃光纤纤芯另一侧镀制了50nm厚的SPR传感金膜。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膜作用，倏逝波中某波长光与金膜中自由电子振动共振，发生SPR效应。
如图4所示，用PDMS制作微流通道模块4，基体4-1成型后，键合封装加工好的微结构光纤SPR传感探针，完成光纤SPR检测微流芯片的制作。光纤探针位于主通道4-2中，左侧二个进出样通道4-3端头设置有样品池接口4-4，右侧二个进出样通道端头设置有废液池接口4-5。
本发明的整体工作系统如图1所示，将制作完成的光纤SPR检测微流芯片右侧接入光谱仪7，光谱仪采集数据送入计算机10处理；左侧超连续谱光源5通过五芯光纤分束器6分别给五芯光纤各纤芯注光，微量注射泵8加载待测溶液后通过管道与光纤SPR检测微流芯片样品池连接密封，可注入待测溶液给两光纤微流通道任一通道，光纤SPR检测微流芯片废液池通道导管密封连接至废液池。当五芯光纤中间芯注光时，哑铃光纤纤芯进行SPR检测，由于哑铃光纤纤芯为单模，与传统多模光纤SPR传感器相比，由于传输模式只有基模，具有极高的平均灵敏度；当五芯光纤上下两芯注光时，哑铃光纤包层进行SPR检测，与纤芯SPR传感通道构成多通道SPR传感，经算法处理，可以有效剔除非特异性响应；当五芯光纤左右两纤芯注光时，哑铃光纤孔道进行溶液吸光谱检测，也可激发微流通道中用荧光物质标记的DNA或氨基酸以产生荧光信号。
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)

1.一种哑铃光纤SPR检测微流芯片，包括五芯光纤（1）、哑铃光纤（2）、多模光纤（3）、微流通道模块（4）、宽谱光源（5）、五芯光纤分束器（6）、光谱仪（7）、微量注射泵（8）、废液池（9）、电脑（10），其特征是：所述的五芯光纤（1）为包层直径125μm的微结构多芯光纤，每根纤芯直径6μm，500-1000nm波段光在其中以单模形式传输，在圆形包层（1-1）的圆心处有一根纤芯（1-2），其余四根纤芯（1-3）、（1-4）、（1-5）、（1-6）围绕圆心对称分布；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，为圆形，直径6μm，500-1000nm波段光在其中以单模形式传输；所述的五芯光纤（1）与哑铃光纤（2）对位熔接，纤芯（1-2）与纤芯（2-2）正对，纤芯（1-5）与开放孔道（2-3）正对，纤芯（1-6）与开放孔道（2-4）正对；所述的哑铃光纤（2）右侧焊接多模光纤（3），经腐蚀、50nm厚SPR（表面等离子体共振）金属膜镀制于开放哑铃光纤开放孔道（2-3）、（2-4）后，封装于微流通道模块中，构成光纤SPR检测微流芯片，微量注射泵装载待测溶液与微流芯片进样口密封连接，微流芯片出样口连接废液池，多模光纤输出端与光谱仪连接采集SPR信号并送入计算机处理，宽谱光源通过五芯光纤分束器可分别给五芯光纤各纤芯注光，当五芯光纤中间芯注光时，哑铃光纤纤芯进行SPR检测；当五芯光纤上下两芯注光时，哑铃光纤包层进行SPR检测；当五芯光纤左右两纤芯注光时，哑铃光纤孔道进行溶液吸光谱检测，也可激发微流通道中用荧光物质标记的DNA或氨基酸以产生荧光信号。
2.根据权利要求1所述的一种哑铃光纤SPR检测微流芯片，其特征在于：所述的多模光纤3为阶跃折射率或渐变折射率多模光纤，纤芯（3-2）直径110μm，包层3-1直径125μm，数值孔径0.37；利用保偏焊接机，将2cm长哑铃光纤左侧对位焊接五芯光纤，右侧焊接多模光纤，氢氟酸腐蚀去掉哑铃光纤纤芯上的薄包层，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（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1所述的一种哑铃光纤SPR检测微流芯片，其特征在于：所述的微流通道模块（4）由PDMS（聚二甲基硅氧烷）制成，基体（4-1）成型后，键合封装哑铃光纤SPR传感探针，光纤探针位于主通道（4-2）中，四个进出样通道（4-3）端头设置有样品池接口（4-4）以及废液池接口（4-5）。
4.根据权利要求1所述的一种哑铃光纤SPR检测微流芯片，其特征在于：所述的宽谱光源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。
5.根据权利要求1所述的一种哑铃光纤SPR检测微流芯片，其特征在于：所述的五芯光纤分束器6为波导型微结构光纤分束器件，工作波长范围450-2400nm，可通过分束器尾部的五根引出单模光纤分别给五芯光纤各纤芯注光。
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