CN108918433A - 一种微流体检测装置 - Google Patents

Abstract

本公开实施例公开了一种微流体检测装置，所述微流体检测装置包括：第一基板，其配置为包括相对的第一面和第二面，第一面上设置有光源，第二面上设置有至少一个光栅块；第二基板，其配置为包括相对的第三面与第四面，第二基板的朝向第一面的第三面上配置有至少一个光敏探测器；微流通道层，其设置在第一基板的第一面和第二基板的第三面之间，微流通道层包括供微流体流通的微流通道；至少一个光栅块对光源发出的光进行反射，每个光栅块反射后的相应颜色的准直光线传输通过微流通道并被所述至少一个光敏探测器接收。本公开实施例的微流体检测系统，结构简单，加工难度小，成本低，光谱分光精度高，探测识别精度高，低串扰。

Description

一种微流体检测装置

技术领域

本公开涉及检测仪器领域，具体涉及一种微流体检测装置。

背景技术

对微小物体进行检测的仪器是科学家长期研究的课题。其中，光谱仪作为一种分析仪器，在各个科学领域都有广泛的应用，尤其在物理、化学和生物学等研究中是最重要的观测手段之一，例如，利用光谱仪对单个或者多个波长的染色的细胞或者物质进行检测或者收集。

但是，目前例如微型量子点光谱仪等的微小型化光谱仪的结构复杂，并且制备方法复杂。

发明内容

本公开所要解决的技术问题是提供一种微流体检测装置，结构简单，加工难度小。

为了解决上述技术问题，本公开的实施例提供一种微流体检测装置，所述微流体检测装置包括：

第一基板，其配置为包括相对的第一面和第二面，所述第一面上设置有光源，所述第二面上设置有至少一个光栅块；

第二基板，其配置为包括相对的第三面和第四面，所述第二基板的朝向所述第一面的所述第三面上配置有至少一个光敏探测器；

微流通道层，其设置在所述第一基板的所述第一面和所述第二基板的所述第三面之间，所述微流通道层包括供微流体流通的微流通道；

所述至少一个光栅块对所述光源发出的光进行反射，每个所述光栅块反射后的相应颜色的准直光线传输通过所述微流通道并被相应的所述至少一个光敏探测器接收。

可选地，所述光栅块的栅条方向垂直于所述光源在所述第二面上的投影点与所述光栅块在所述第二面上的位置之间的连线。

可选地，所述至少一个光栅块排布在以所述光源在所述第二面上的投影点为圆点的同心圆上。

可选地，每个所述光栅块对相应的一个波长段的光进行反射。

可选地，所述光栅块包括布拉格光栅。

可选地，所述光栅块与微流体流经的路径一一对应地设置。

可选地，所述微流通道层包括至少一个微流体回收槽以将其分成数个区域，每个微流体回收槽一侧的区域中微流体流经的路径的取向与所述微流体回收槽另一侧的区域中微流体流经的路径的取向不同。

可选地，各个区域对应的光栅块彼此错位排布。

可选地，所述至少一个光敏探测器与所述至少一个光栅块一一对应。

可选地，在所述第二面上相邻两个所述光栅块之间设置吸光层。

可选地，在所述第三面上相邻两个所述光敏探测器之间设置吸光层。

可选地，所述吸光层为由黑色光阻聚酯薄膜或金属薄膜材质制成的黑色矩阵。

可选地，所述第一基板和所述第二基板由玻璃材质制成。

可选地，所述至少一个微流通道通过光刻的方式形成在所述第一面上。

可选地，所述至少一个光栅块通过紫外光对光敏玻璃进行热加工而制成。

可选地，光源为发光二极管、微型发光二极管和有机发光二极管光源中的任何一种或多种。

可选地，所述光敏探测器为电荷耦合元件、互补金属氧化物半导体和光电二极管中的任何一种或多种。

与现有技术相比，本公开的一种微流体检测装置的有益效果在于：结构简单，加工难度小，成本低，光谱分光精度高，探测识别精度高，低串扰。

附图说明

将在下文参照附图描述本公开的示范性实施例的特征、优势以及技术和工业意义，在附图中，相同附图标记指代相同的元件，并且其中：

图1为根据本公开实施例的微流体检测装置的穿过光源的截面图；

图2为根据本公开实施例的微流体检测装置的部分结构示意图；

图3为根据本公开实施例的微流体检测装置的光源与光栅块的位置示意图；

图4为根据本公开实施例的微流体检测装置的一种光栅块排布的示意图；

图5为根据本公开实施例的微流体检测装置的具体例子的5个光栅块的衍射效率图。

附图标记说明：1-第一基板；2-第二基板；3-第一面；4-第二面；5-光源；6-光栅块；7-第三面；8-光敏探测器；9-微流通道层；10-微流通道；11-吸光层；12-第四面；13-微流体回收槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本公开的实施例作进一步详细描述，但不作为对本公开的限定。以下说明旨在使得本领域技术人员能够理解并实现本发明。下文中具体实施例或应用的描述仅仅作为示例提供。对于各个实施例的各种修改对于本领域技术人员来说容易想到，以及本文中定义的主要原理可以应用于其他实施例和应用而不偏离本发明的精神和范围。因此，本发明并不意图限于所示的实施例，而是要求于其中公开的原理和特征相符的、由权利要求书限定的可能范围。虽然对各个实施例进行分别的说明，不同实施例中的特征和要素可以互相组合，组合方式并不限于各个独立的实施例。

本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。本公开中使用的表述“A和/或B”包含A而非B、B而非A以及A并且B中的任何一种，使用的表述“A、B和/或C”包含A、B和C三者中的任何一种或任何若干种的组合。

在本公开中，当描述到特定器件位于第一器件和第二器件之间时，在该特定器件与第一器件或第二器件之间可以存在居间器件，也可以不存在居间器件。当描述到特定器件连接其它器件时，该特定器件可以与所述其它器件直接连接而不具有居间器件，也可以不与所述其它器件直接连接而具有居间器件。

本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

结合图1和图2，本公开实施例的一种微流体检测装置，其包括：第一基板1，其配置为包括相对的第一面3和第二面4，第一面3上设置有光源5，第二面4上设置有至少一个光栅块6；第二基板2，其配置为包括相对的第三面7与第四面12，第二基板2的朝向第一面3的第三面7上配置有至少一个光敏探测器8；微流通道层9，其设置在第一基板1的第一面3和第二基板2的第三面7之间，微流通道层9包括供微流体流通的微流通道10；至少一个光栅块6对光源5发出的光进行反射，每个光栅块6反射后的相应颜色的准直光线传输通过微流通道10并被相应的至少一个光敏探测器8接收。

可选地，光源5为LED(发光二极管)、micro-LED(微型发光二极管)和OLED(有机发光二极管)光源中的任何一种或多种，光源5的尺寸小。可选地，第一基板1为玻璃基板，玻璃基板成本低并且可量产化，在玻璃基板的一面上制作光栅块6，在玻璃基板的另一面上设置光源5。可选地，至少一个光栅块6通过紫外光对光敏玻璃进行热加工而制成。例如，通过紫外光的热加工作用，引起具有一些特殊成分的光敏玻璃的折射率的永久性改变，从而在光敏玻璃内部形成按一定规律的分布的内部折射率分布，可以制成光栅块6。可选地，微流通道层9可以制作在第一基板1上，例如，微流通道10通过光刻的方式形成在第一面3上。其中，可以通过在第一面3上施加光刻胶层，将掩膜层叠置在光刻胶层上，对掩膜层和光刻胶层进行曝光，去除掩膜层并对光刻胶层进行显影，微流通道10就可以形成在第一面3上了。另外，微流通道10还可以通过光刻后再刻蚀的方式形成。当然，微流通道层9也可以单独设置，例如通过光刻或刻蚀的方式形成在硅板、玻璃板或聚合物(聚二甲基硅氧烷或聚甲基丙烯酸甲酯)板上。其中，微流通道10的宽度和高度可以是纳米级。可选地，光敏探测器8包括CCD(电荷耦合元件)、CMOS(互补金属氧化物半导体)和PIN(光电二极管)中的任何一种或多种。可选地，第二基板2为玻璃基板，在第二基板2的第三面7上制作光敏探测器8。

本公开方案的微流体检测装置，结构简单，加工难度小，不需要准直光源5即可实现精确光谱分色，只需小尺寸光源5即可。设置于第一面3上的光源5发出的光射到设置于第二面4上的至少一个光栅块6上，至少一个光栅块6对光源5发射的光进行反射，每个光栅块6反射后的相应颜色的准直光线通过设置于第一基板1和第二基板2之间的微流通道10，至少一个光敏探测器8接收通过微流通道10的光线，从而检测微流通道10内流通的微流体的光谱响应特性。

本公开方案的微流体检测装置可以用于物理、生物和化学领域，可以利用本公开的微流体检测装置进行光谱分析、物质检测和标定、分子诊断、食品检疫和细菌分类等。在一些实施例中，每个光栅块6对相应的一个波长段的光进行反射，例如，每个波长段的光谱宽度为5nm，其中，每个波长段包括一个主波长，每个波长段的颜色主要由主波长的颜色体现。光栅块6通过对射入的光线进行选择，将选择的特定波长段的光进行反射，反射后的准直光线的颜色不同，光栅块6射出的准直光线通过微流通道10并被至少一个光敏探测器8接收。可选的，光栅块6包括布拉格光栅。每一个包括布拉格光栅的光栅块6可以反射出一种颜色的光线。

在一些实施例中，结合图1和图2，第二面4上相邻两个光栅块6之间设置可吸收光的吸光层11，例如，在第二面4上未设置光栅块6的位置上设置吸光层11。其中，吸光层11可以是由具有高吸光性质的材料制成，例如，吸光层11为由黑色光阻聚酯薄膜或金属薄膜材质制成的黑色矩阵。第二面4上设置的吸光层11，将未射到光栅块6上的光线吸收掉，可以限制射到光栅块6上光线的入射角度。由于光栅对射到其上的光线的入射角度比较敏感，过大的入射角度范围可能会导致光谱分光不精细、分光不准确或其他串色干扰的问题，通过对射到光栅块6上的光线的入射角度的限制，可以解决光谱分光不精细、分光不准确或其他串色干扰的问题。对于光栅块6来说，非设计的光线均会直接透射穿过光栅块6被吸光层11吸收，或者直接被吸光层11吸收，因此，不会对光谱探测部分造成干扰。其中，图1中虚线示出了光源5发出的可经过特定尺寸光栅块6上的全部角度光线。

在一些实施例中，参考图3，光栅块6中的光栅的布置方式可以是，光栅块6的栅条方向垂直于光源5在第二面4上的投影点与光栅块6在第二面4上的位置之间的连线。光栅块6对光线进行反射后，射出的准直光线垂直于第一基板1和第二基板2，这样结构简单的微流体检测装置出射的光谱分布清晰。

在一些实施例中，参考图3，至少一个光栅块6排布在以光源5在第二面4上的投影点为圆点的同心圆上。可选地，至少一个光栅块6均匀排布在同心圆的圆周上。

由于反射后的准直光线均垂直于第一基板1和第二基板2并向上传输到至少一个光敏探测器8，因此，射到光栅块6的光线和通过该光栅块6反射后的准直光线组成的平面都通过中心轴，其中，中心轴是光源5与其在第二面4上的投影点所连成的线。设置在第二面4上的至少一个光栅块6实质上是二维光栅，只要光栅块6的栅条方向垂直于光源5在第二面4上的投影点与光栅块6在第二面4上的位置之间的连线方向即可，位于同一圆上的任意两个光栅块6的区别在于选择不同波长的光线，射到光栅块6上的光线的入射角度和入射波长、衍射角度、传输介质等条件都相同。光栅块6的设计和加工可以大大简化，光敏探测器8的排布也可以大大简化。

在一些实施例中，结合图1和图2，在第三面7上相邻两个光敏探测器8之间设置可吸光的吸光层11，例如，在第三面7上未设置光敏探测器8的位置上设置吸光层11。其中，吸光层11可以是由具有高吸光性质的材料制成，例如，吸光层11为由黑色光阻聚酯薄膜或金属薄膜材质制成的黑色矩阵。第三面7上设置的吸光层11，可以精确保证非检测波长的衍射光线不会射到光敏探测器8上造成干扰，对于其他不满足准直出光角度的其他非衍射光线会直接被吸光层11吸收掉。这样，当实际生产制造过程中由于对位偏差(例如光栅块6和光敏探测器8对位偏差)，光栅块6制备偏差等的存在产生干扰光时，第三面7上设置的吸光层11可以保证光谱检测的精度。

参考图4，在一些实施例中，光栅块6(图中所示的方块)与微流体流经的路径(图中的箭头方向)一一对应地设置。因为每个光栅块6反射后的准直光线对应一种颜色，如此能够确保微流体在微流通道10中流经的单条路径上仅仅穿过一种颜色的光线，从而实现对各条路径中的微流体的针对性检测。

参考图4，在一些实施例中，微流通道层9包括至少一个微流体回收槽13以将微流通道层9分成数个区域，每个微流体回收槽13一侧的区域中微流体流经的路径的取向与微流体回收槽13另一侧的区域中微流体流经的路径的取向不同。如此，可以在微流通道层9中排布更多条微流体流经路径，从而相应地，能够排布更多的光栅块6。由此，能够在单个微流体检测装置中实现更大的光谱检测范围；因为区域的划分，还可以在单个微流体检测装置中实现多种微流体的检测。

参考图4，在一些实施例中，各个区域对应的光栅块6彼此错位排布。光栅块6错位排布，可以使各个区域对应的光栅块6的数量尽可能的多，并且保证光栅块6之间有设置吸光层11的空间。

图4示出了一种光栅块6排布的方式，其中，三个微流体回收槽13将微流通道层9分为四个区域，每个区域对应错位排布的多个光栅块6，每个区域中微流体在微流通道10中流经的路径的方向相同，不同区域中微流体在微流通道10中流经的路径的方向不同。

结合图1和图2，下面描述一个微流体检测装置的穿过光源5的截面的具体例子。

光源5为LED光源，LED光源的尺寸为200μm，波长范围为380nm-780nm。光敏探测器8的尺寸为20μm。布拉格光栅块6的长度为100μm，两个紧邻的光栅块6之间的距离为200μm。其中，布拉格光栅的厚度为70μm，折射率调制度为0.01。

如图1中所示出的靠左的五个光栅块6分别命名为光栅块(1)、光栅块(2)、光栅块(3)、光栅块(4)和光栅块(5)，设计分色波长的精度为5nm，即每隔5nm波长设计一种光栅块6，使每个光栅块6反射波长光谱宽度最大为5nm，并垂直照射到光敏探测器8上。

从左到右，每个光栅块6反射出光的主波长分别为380nm、385nm、390nm、395nm和400nm。

光栅块6所在的面上在相邻两个光栅块6之间设置有吸光层11，可以限制LED光源发出的光线到光栅块6的入射角度，从表1中可以看出，光栅块6的入射角度选择可以保证在4°以内。另外，从表1可以看出，光栅块6可以实现5nm精度的波长选择。

表1具体例子的结构参数和结果

光敏探测器8所在的面上在相邻两个光敏探测器8之间设置吸光层11，可以保证光敏探测器8可探测出对应光栅块6+/-2°以内的光线，保证探测精度。光栅块6在选择波长波段范围内，其反射光线的出光角度都在+/-2°，可以保证光敏探测器8识别。

以上实施例仅为本公开的示例性实施例，不用于限制本公开，本公开的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本公开的实质和保护范围内对本公开做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本公开的保护范围内。

Claims (17)

1.一种微流体检测装置，其特征在于，所述微流体检测装置包括：

第一基板，其配置为包括相对的第一面和第二面，所述第一面上设置有光源，所述第二面上设置有至少一个光栅块；

第二基板，其配置为包括相对的第三面与第四面，所述第二基板的朝向所述第一面的所述第三面上配置有至少一个光敏探测器；

微流通道层，其设置在所述第一基板的所述第一面和所述第二基板的所述第三面之间，所述微流通道层包括供微流体流通的微流通道；

所述至少一个光栅块对所述光源发出的光进行反射，每个所述光栅块反射后的相应颜色的准直光线传输通过所述微流通道并被相应的所述至少一个光敏探测器接收。

2.根据权利要求1所述的微流体检测装置，其特征在于，所述光栅块的栅条方向垂直于所述光源在所述第二面上的投影点与所述光栅块在所述第二面上的位置之间的连线。

3.根据权利要求2所述的微流体检测装置，其特征在于，所述至少一个光栅块排布在以所述光源在所述第二面上的投影点为圆点的同心圆上。

4.根据权利要求2所述的微流体检测装置，其特征在于，每个所述光栅块对相应的一个波长段的光进行反射。

5.根据权利要求2所述的微流体检测装置，其特征在于，所述光栅块包括布拉格光栅。

6.根据权利要求4所述的微流体检测装置，其特征在于，所述光栅块与微流体流经的路径一一对应地设置。

7.根据权利要求6所述的微流体检测装置，其特征在于，所述微流通道层包括至少一个微流体回收槽以将其分成数个区域，每个微流体回收槽一侧的区域中微流体流经的路径的取向与所述微流体回收槽另一侧的区域中微流体流经的路径的取向不同。

8.根据权利要求7所述的微流体检测装置，其特征在于，各个区域对应的光栅块彼此错位排布。

9.根据权利要求2所述的微流体检测装置，其特征在于，所述至少一个光敏探测器与所述至少一个光栅块一一对应。

10.根据权利要求1所述的微流体检测装置，其特征在于，在所述第二面上相邻两个所述光栅块之间设置吸光层。

11.根据权利要求1所述的微流体检测装置，其特征在于，在所述第三面上相邻两个所述光敏探测器之间设置吸光层。

12.根据权利要求10或11所述的微流体检测装置，其特征在于，所述吸光层为由黑色光阻聚酯薄膜或金属薄膜材质制成的黑色矩阵。

13.根据权利要求1所述的微流体检测装置，其特征在于，所述第一基板和所述第二基板由玻璃材质制成。

14.根据权利要求1所述的微流体检测装置，其特征在于，所述至少一个微流通道通过光刻的方式形成在所述第一面上。

15.根据权利要求1所述的微流体检测装置，其特征在于，所述至少一个光栅块通过紫外光对光敏玻璃进行热加工而制成。

16.根据权利要求1所述的微流体检测装置，其特征在于，光源为发光二极管、微型发光二极管和有机发光二极管光源中的任何一种或多种。

17.根据权利要求1所述的微流体检测装置，其特征在于，所述光敏探测器为电荷耦合元件、互补金属氧化物半导体和光电二极管中的任何一种或多种。