CN108051876A - 微透镜阵列、光学检测装置及微透镜阵列制备方法 - Google Patents

微透镜阵列、光学检测装置及微透镜阵列制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种光学检测装置，用于检测纳米物体，包括：微流体器件、微透镜阵列、光源和光检测元件；其中，所述微流体器件包括相对设置的顶壁和底壁以及位于所述顶壁与所述底壁之间的微流体通道，所述微透镜阵列位于所述底壁的一个表面上，所述底壁由光学透明材料制成，所述光源设于所述底壁背离所述微透镜阵列的表面对向所述微透镜阵列的所在区域，所述光源的光照使所述微流体通道中形成光子纳米喷流区域；所述光检测元件接收所述光子纳米喷流区域的光以检测位于所述光子喷流区域内的纳米物体。本发明所述光检测装置利用集成于微流体器件中的微透镜阵列，对亚衍射极限的纳米物体进行表征。本发明还提供一种微透镜阵列及其制备方法。

Description

微透镜阵列、光学检测装置及微透镜阵列制备方法
技术领域
本发明涉及光学检测领域，特别涉及一种微透镜阵列、光学检测装置及微透镜阵列制备方法。
背景技术
与传统尺度的材料相比，纳米材料由于其独特的物理和化学性质，成为传统材料、医疗器材、电子设备及涂料等行业不可或缺的材料。相应地，对纳米材料进行检测和成像的设备和技术也日渐重要，得到了研究者们的广泛关注。
目前，人们大多采用常规光学显微镜对传统尺度的物体进行成像，然而，常规光学显微镜受光学衍射极限限制，其分辨率只能达到入射光波长的一半(约为200纳米)。由于纳米材料的尺寸原因，使得各领域的重要物质如许多医学与生物学领域的微生物、细菌、病毒、蛋白质等，均不能采用常规的光学显微镜对其进行实时的检测和表征，而且现有的可以突破衍射极限的光学成像设备与技术，通常基于笨重且昂贵的大型仪器，或需要通过复杂的纳米制造工艺引入光子结构，难以大规模应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光学检测装置，用于对纳米物体进行检测和表征。
本发明还提供一种微透镜阵列及微透镜阵列制备方法。
本发明所述微透镜阵列，包括：基底，设于所述基底上的微井阵列，所述微井阵列包括多个微井，以及位于所述微井中的微球透镜；其中，所述基底由光学透明材料制成，所述微井阵列由疏水性材料制成。
本发明所述光学检测装置，用于检测纳米物体，包括：微流体器件、微透镜阵列、光源和光检测元件；其中，所述微流体器件包括相对设置的顶壁和底壁以及位于所述顶壁与所述底壁之间的微流体通道，所述微透镜阵列位于所述底壁的一个表面上，所述底壁由光学透明材料制成，所述光源设于所述底壁背离所述微透镜阵列的表面对向所述微透镜阵列的所在区域，所述光源的光照使所述微流体通道中形成光子纳米喷流区域；所述光检测元件接收所述光子纳米喷流区域的光以检测位于所述光子喷流区域内的纳米物体。
其中，所述光学检测装置包括移动部，所述移动部用于使所述微透镜阵列相对所述微流体通道的顶壁移动。
其中，所述微透镜阵列的微球透镜通过静电吸附固定于所述微球透镜的微井中。
其中，所述微井与所述微球透镜的尺寸相同，每一个所述微井中组装一个所述微球透镜。
其中，所述微球透镜的表面到所述顶壁的距离大于所述光子纳米喷流区域垂直于所述底壁方向上尺寸。
其中，所述光源包括且不限于白光光源、荧光光源或激光光源中的一种。
其中，所述光检测元件包括且不限于传感器、电荷耦合器件相机、光谱仪、互补金属氧化物半导体传感器、光电倍增管器件或光子雪崩二极管中的一种。
本发明所述微透镜阵列制备方法，用于制备微透镜阵列，包括：
提供一基底，所述基底由光学透明材料制成；
在所述基底上形成疏水层；
将所述疏水层加工成包括多个微井的微井阵列；
在每一所述微井中组装微球透镜。
其中，所述光学透明材料具有亲水性，包括且不限于玻璃、硅或氧化硅中的一种。
其中，在将所述疏水层加工成包括多个微井的微井阵列的过程中，通过光刻、蒸镀或等离子体刻蚀中的一种方法来加工微井。
本发明所述光检测装置将微透镜阵列集成于微流体器件中，利用微球透镜在光源下产生的光子纳米喷射现象对微流体通道中位于光子纳米喷流区域的纳米物体进行检测和成像，实现对纳米物体的实时检测和表征，大大降低了纳米物体检测设备的制造难度和制造成本，可广泛应用于不同场合。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所述微透镜阵列的结构示意图；
图2是本发明所述光学检测装置的结构示意图；
图3是图2所示光学检测装置检测的46纳米物体的图像；
图4是图2所示光学检测装置检测的20纳米物体的图像；
图5是本发明所述微透镜阵列制备方法的流程图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
请参阅图1，本发明较佳实施例提供一种微透镜阵列20，所述微透镜阵列20包括基底21，设于所述基底21上的微井阵列22，所述微井阵列22包括多个微井221，以及位于所述微井221中的微球透镜23；其中，所述基底21由光学透明材料制成，所述微井阵列22由疏水性材料制成。本实施例中，所述微透镜阵列20的基底21为玻璃芯片，所述微井阵列22由具有疏水性的材料制成，所述微球透镜23为由介电材料制成的微球透镜，所述微球透镜22因所述玻璃芯片的亲水性以及所述疏水性材料和所述介电材料之间的静电吸附作用而固定于所述微井221中。具体的，所述微井221的尺寸和所述微球透镜23的直径相同，每一个微井221中组装一个所述微球透镜23，且所述微球透镜23的位置不发生偏移。其中，所述疏水性材料包括聚对二甲苯(Parylene)、全氟环状聚合物(CYTOP)或聚二甲基硅氧烷(PDMS，Polydimethylsiloxane)等有机材料；所述介电材料包括二氧化硅、二氧化钛、锆钛酸铅、钡钛酸铅等折射率大于水的折射率的材料。可以理解的是，在本实施例的其他实施方式中，所述基底21也可以为硅、氧化硅或经过化学表面处理的光学透明材料；所述微球透镜23也可以为通过微加工工艺制成的微透镜结构。
请参阅图2，本发明还提供一种光学检测装置100，用于对亚衍射极限的纳米物体200进行光学探测与成像。所述光学检测装置100包括微流体器件10、微透镜阵列20、光源30和光检测元件40；其中，所述微流体器件10包括相对设置的顶壁11和底壁12以及位于所述顶壁11和所述底壁12之间的微流体通道13；所述微透镜阵列20位于所述底壁12的一个表面上，所述微透镜阵列20的基底21位于所述底壁12上，所述基底21和所述底壁12均由光学透明材料制成，所述微球透镜23固定于所述微井221中且与所述基底21接触；所述光源30设于所述底壁12背离所述微透镜阵列20的表面对向所述微透镜阵列20的所在区域，所述光源30为所述微球透镜23提供光照，使所述微流体通道13内形成光子喷流区域231；所述光检测元件40接收所述光子纳米喷流区域231的光以检测位于所述光子喷流区域231中的纳米物体200。本实施例中，所述光学检测装置100还包括移动部(图未示)，所述移动部使所述微透镜阵列20相对所述顶壁11平移，即所述移动部可携带所述微透镜阵列20或与其相对的顶壁11进行平移，从而实现所述微透镜阵列20对整个所述微流通道13的连续扫描。
本发明所述光检测装置将微透镜阵列集成于微流体器件中，利用高折射率的微球透镜将光源的光聚焦形成亚衍射极限尺寸的光子喷流区域，当纳米物体通过光子喷流区域时，微球透镜将所述纳米物体的光学信号放大并对其成像，其光学信号被光检测元件捕捉并记录，再对所得数据进行分析和还原，从而实现对纳米物体的实时检测和表征。
本实施例中，所述微透镜阵列20的基底21为玻璃芯片，所述微井阵列22由具有疏水性的材料制成，所述微球透镜23为由介电材料制成的微球透镜，所述微球透镜22因所述玻璃芯片的亲水性以及所述疏水性材料和所述介电材料之间的静电吸附作用而固定于所述微井221中。具体的，所述微井221的尺寸和所述微球透镜23的直径相同，每一个微井221中组装一个所述微球透镜23，且所述微球透镜23的位置不发生偏移，便于光源30精确对准每一个微球透镜23，在每一个微球透镜23的上方形成光子喷流区域231。其中，所述光源包括且不限于白光光源、荧光光源或激光光源中的一种。
所述微透镜阵列20位于所述微流体器件10内。本实施例中，所述微流体器件10由有机材料制成，所述微流体通道13通过在所述有机材料上采用微加工方法制成，所述微流体通道13的高度尺寸与所述光子喷流区域231的纵向尺寸保持基本一致。具体的，所述微球透镜23的表面到所述顶壁11的距离大于所述光子纳米喷流区域231垂直于所述底壁12方向上的尺寸，当所述微球透镜23的表面到所述顶壁11的距离等于或小于所述光子纳米喷流区域231垂直于所述底壁12方向上尺寸的三倍时，所述光检测元件40能更灵敏地检测到位于所述光子纳米喷流区域231内的纳米物体。其中，所述微流体通道13的高度尺寸可通过调节微加工工艺控制，也可采用不同尺寸的间隔微粒在加工过程中进行控制，所述间隔微粒由硬度较大的材料制成，如SiO2颗粒等。所述光检测元件40包括且不限于传感器、电荷耦合器件相机、光谱仪、互补金属氧化物半导体传感器、光电倍增管器件或光子雪崩二极管中的一种。
当采用光学检测装置100对纳米物体200进行检测时，光源30的光照射到微透镜阵列20上，每一个微球透镜23都将接收到的光聚焦到一个亚衍射极限区域，在所述微流体通道13内形成一个个光子纳米喷流区域231。向所述微流体通道13内输送携带分散的待测纳米物体200的流体介质，由于光子喷流区域231的高电磁场强度、亚衍射极限的区域尺寸以及对光场扰动的高灵敏度特性，使得单个的待测纳米物体200通过所述光子喷流区域231时，所述光子喷流区域231的光学信号强度会大大增强，并在光学远场呈现一个放大的虚像，光检测元件40将这一光学信号与图像记录，通过对所得数据进行分析与还原，可以确认所述纳米物体200在流体介质中的存在，并得到其尺寸特征等参数。其中，向所述微流体通道13中输送的流体介质包括且不限于液体介质、气体介质或气液混合介质中的一种。
可以理解的是，根据经典流体动力学，当所述微流体通道13内所述流体介质的流动是一种由压力驱动的流体运动时，所述流体介质的流动模式沿所述流体通道23的深度具有抛物线式的流体速度分布。若将所述待测纳米物体200固定于所述微流体通道13的顶壁11上或者待测纳米物体200即为所述微流体通道13的顶壁11时，所述顶壁11可在所述移动部的作用下与所述微透镜阵列20发生相对移动，携带所述纳米物体200通过所述光子喷流区域231，对所述纳米物体200进行探测；或者，所述微透镜阵列20可在所述移动部的作用下对固定有所述纳米物体200的顶壁11进行连接扫描，通过记录对应于不同位置的图像并使用图像重建算法，从而获得覆盖整个样本区域的完整图像。
利用上述光学检测装置100对不同尺寸的纳米物体200的图像记录如图3和图4所示。
本发明所述光学检测装置仅利用一套微透镜阵列与微流体器件集成的设备，不仅在光子喷流现象的基础上，实现了对亚衍射极限的纳米物体的表征，还大大降低了纳米检测设备的制造难度与制造成本。而且，本发明光学检测装置中微透镜阵列的存在使得所述光学检测装置还可以表征多个纳米物体，大大提高了工作效率。
请参阅图5，本发明还提供一种微透镜阵列的制备方法，用于制备高精度的微透镜阵列，包括：
步骤S1，提供一基底，所述基底由光学透明材料制成。本实施例中，采用玻璃芯片作为微透镜阵列的基底，在本实施例的其他实施方式中，也可以采用硅或氧化硅等具有亲水性的光学透明材料。
步骤S2，在所述基底上形成疏水层。所述疏水层由疏水性材料制成，所述疏水性材料沉积于所述基底之上。所述疏水性材料包括且不限于聚对二甲苯、全氟环状聚合物或聚二甲基硅氧烷等具有疏水性的有机材料中的一种。所述沉积方法包括且不限于化学沉积或等离子沉积等方式中的一种。
步骤S3，将所述疏水层加工成包括多个微井的微井阵列。通过微加工方法在所述疏水层上加工出多个微井，并在微加工过程中精确控制多个所述微井的尺寸和相对位置。所述微加工方法包括且不限于光刻、化学气相沉积、原子层沉积、磁控溅射、金属蒸镀、等离子体刻蚀、干法刻蚀与湿法刻蚀等方法的一种。本实施例中，不对所述微井在微井阵列中的排列方式进行具体限制，例如，可以为便于加工的矩阵形式、密集排布的蜂窝形式、环形或无序式等其他在本领域技术中可以实现的排列形式。
步骤S4，在每一所述微井中组装微球透镜。本实施例中，所述微球透镜由介电材料制成，所述介电材料的折射率高于水，包括且不限于二氧化硅、二氧化钛、锆钛酸铅、钡钛酸铅等材料中的一种。利用所述基底的亲水性，所述微球透镜被组装在所述微井中。其中，所述微球透镜在所述微井中的固定是通过调节所述微球透镜和所述微井的尺寸，并利用介电材料和疏水性材料之间的静电吸附来实现的。所述微井的尺寸在微加工过程中精确控制使其直径与所述微球透镜的直径一致，每一个所述微井中仅组装一个所述微球透镜，且每一个位于所述微井中的微球透镜的位置不会发生偏移，便于后续使用过程中光源能精确对准每一个位于所述微井中的微球透镜。可以理解的是，所述微球透镜也可以为利用微加工工艺制造的微透镜结构。
本发明所述微透镜阵列制备方法利用微加工过程对微井的尺寸和位置进行严格控制，使得所述微透镜阵列中微井的直径与微球透镜一致，并且由于基底材料的亲水性，以及疏水层与微球透镜材料之间的静电吸附作用使得每一个微球透镜固定在微井，且相对位置不发生偏移，提高了所述微透镜阵列的精度。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种微透镜阵列，其特征在于，包括：基底，设于所述基底上的微井阵列，所述微井阵列包括多个微井，以及位于所述微井中的微球透镜；其中，所述基底由光学透明材料制成，所述微井阵列由疏水性材料制成。
2.一种光学检测装置，用于检测纳米物体，其特征在于，包括：微流体器件、微透镜阵列、光源和光检测元件；其中，所述微流体器件包括相对设置的顶壁和底壁以及位于所述顶壁与所述底壁之间的微流体通道，所述微透镜阵列位于所述底壁的一个表面上，所述底壁由光学透明材料制成，所述光源设于所述底壁背离所述微透镜阵列的表面对向所述微透镜阵列的所在区域，所述光源的光照使所述微流体通道中形成光子纳米喷流区域；所述光检测元件接收所述光子纳米喷流区域的光以检测位于所述光子喷流区域内的纳米物体。
3.如权利要求2所述的光学检测装置，其特征在于，所述光学检测装置包括移动部，所述移动部用于使所述微透镜阵列相对所述顶壁移动。
4.如权利要求2所述的光学检测装置，其特征在于，所述微透镜阵列的微球透镜通过静电吸附固定于所述微球透镜的微井中。
5.如权利要求4所述的光学检测装置，其特征在于，所述微井与所述微球透镜的尺寸相同，每一个所述微井中组装一个所述微球透镜。
6.如权利要求5所述的光学检测装置，其特征在于，所述微透镜阵列中微球透镜的表面到所述顶壁的距离大于所述光子纳米喷流区域垂直于所述底壁方向上的尺寸。
7.如权利要求2所述的光学检测装置，其特征在于，所述光源包括白光光源、荧光光源或激光光源中的一种。
8.如权利要求2所述的光学检测装置，其特征在于，所述光检测元件包括电荷耦合器件相机、光谱仪、互补金属氧化物半导体传感器、光电倍增管器件或光子雪崩二极管中的一种。
9.一种微透镜阵列的制备方法，其特征在于，包括：
提供一基底，所述基底由光学透明材料制成；
在所述基底上形成疏水层；
将所述疏水层加工成包括多个微井的微井阵列；
在每一所述微井中组装微球透镜。
10.如权利要求9所述的光学检测装置，其特征在于，在将所述疏水层加工成包括多个微井的微井阵列的过程中，通过光刻、蒸镀或等离子体刻蚀中的一种方法来加工微井。
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