CN108970652B - 一种基于sers检测的光纤嵌入式微流芯片及检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于SERS检测的光纤嵌入式微流芯片及检测装置，微流芯片包括：石英玻璃、微流通道以及光纤SERS探针；微流通道制备于石英玻璃中；光纤SERS探针嵌入石英玻璃中，包括：多模光纤、双孔毛细管和SERS基底；双孔毛细管一端与微流通道相连通，且另一端的两孔中间部分被去除以使得两孔相连通，由此使得样品溶液能够从双孔毛细管一端的一个孔流入然后从另一个孔流出；多模光纤与双孔毛细管的另一端熔接在一起；SERS基底原位制备于双孔毛细管的内壁上；检测装置包括：注射泵、光纤嵌入式微流芯片、激光光源、光谱仪以及分光装置。本发明能够有效提高SERS检测的稳定性和可靠性，并降低对样品使用量的需求和人工操作的复杂性。

Description

一种基于SERS检测的光纤嵌入式微流芯片及检测装置
技术领域
本发明属于光纤传感和微流控技术领域，更具体地，涉及一种基于SERS(Surface-enhanced Raman scattering，表面增强拉曼散射效应)检测的光纤嵌入式微流芯片及检测装置。
背景技术
在医疗诊断、化学、环境监测、食品安全和生命科学等领域中，对生化分子的检测是一个重要的环节，随着这些领域的不断发展，人们对于样品检测的实时性、准确性和高效性提出了更高的要求。拉曼散射光携带有物质分子的特异性信息，因此通过对样品拉曼光谱的检测即可分析出物质成分甚至浓度。
拉曼散射光携带有物质分子的特异性信息，因此通过对样品拉曼光谱的检测即可分析出物质成分甚至浓度。基于微流控技术的拉曼光谱检测技术具有灵敏度高、特异性好、检测速度快、样品用量少、检测集成度高和易于操作的优点，但是现有的拉曼光谱检测设备中，共聚焦显微拉曼检测仪均基于空间光路进行检测，在检测过程中需要通过精密调节使得激发光能够聚焦到样品上，因而调节难度大且易受环境的干扰；而基于拉曼探头的检测设备检测范围大，难以对微量样品进行稳定高效的实时性检测。
光纤传感器以其体积小、重量轻、成本低、耐腐蚀、不受电磁干扰、测量精度高等优点被广泛研究并应用到拉曼检测中。但是目前，基于拉曼检测的光纤传感器的研究主要集中在探针的制作上，对样品的检测更多是靠人为的放置，缺乏一个稳定可靠的检测平台。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于SERS检测的光纤嵌入式微流芯片及检测装置，其目的在于设计出一个能够应用于微量样品分子实时动态检测的微流控芯片结构，以解决现有的检测方法设备昂贵、操作复杂、灵敏度低、实时性差的问题。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种基于SERS检测的光纤嵌入式微流芯片，包括：石英玻璃、微流通道以及光纤SERS探针；微流通道制备于石英玻璃中，用于提供样品溶液的流通通道；光纤SERS探针嵌入石英玻璃中，包括多模光纤、双孔毛细管和SERS基底；双孔毛细管一端与微流通道相连通，且双孔毛细管另一端的两孔中间部分被去除以使得两孔相连通，由此使得样品溶液能够从双孔毛细管一端的一个孔流入然后从另一个孔流出；多模光纤与双孔毛细管的另一端熔接在一起，用于输入激发光至双孔毛细管中并输出双孔毛细管中产生的拉曼散射光；SERS基底原位制备于双孔毛细管的内壁上，用于通过表面增强拉曼散射效应增强双孔毛细管中的拉曼散射光。
进一步地，多模光纤的纤芯直径等于双孔毛细管中两孔在其中心点连线方向上的总长度，以使得激发光和拉曼散射光在多模光纤和双孔毛细管之间传输时光的损耗最低。
进一步地，多模光纤的包层外径等于双孔毛细管的直径，以便于熔接。
进一步地，双孔毛细管的另一端的两孔中间被去除部分的长度等于双孔毛细管的孔内径，以保证双孔毛细管内部通道各处的流通量相同。
进一步地，本发明第一方面提供的基于SERS检测的光纤嵌入式微流芯片还包括注入导管和流出导管；注入导管和流出导管均设置于石英玻璃外且分别与微流通道的两端相连。
按照本发明的第二方面，提供了一种基于本发明第一方面所提供的基于SERS的嵌入式微流芯片的监测装置，包括：注射泵、光纤嵌入式微流芯片、激光光源、光谱仪以及分光装置；注射泵用于将样品溶液注入到微流通道中；分光装置为集成化分光装置，分光装置用于接收激光光源产生的激发光并将其输入到多模光纤中，分光装置还用于接收由多模光纤输出的拉曼散射光并将其输入到光谱仪中。
进一步地，本发明第二方面提供的检测装置还包括回收池，用于回收经微流通道流出的样品溶液。
进一步地，分光装置将滤光片、反射镜和二向色镜集成在一个模块中，以实现全光纤光路的传输。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明所提供的基于SERS检测的光纤嵌入式微流芯片，内嵌有光纤SERS探针，且光纤SERS探针由熔接在一起的双孔毛细管和多模光纤、以及原位制备在毛细管两孔内壁上的SERS基底组成，由此实现对拉曼散射光的激发和检测。由于其检测不依赖于空间光路，因此提高了检测的稳定性。
(2)本发明所提供的基于SERS检测的光纤嵌入式微流芯片，在双孔毛细管的内壁原位制备有SERS基底，提高了SERS的激发效率和接收效率。
(3)本发明所提供的检测装置，采用基于SERS检测的光纤嵌入式微流芯片作为检测平台，并通过注射泵将样品溶液注入至微流通道中，降低了对样品使用量的需求和人工操作的复杂性。
(4)本发明所提供的检测装置，采用基于SERS检测的光纤嵌入式微流芯片作为检测平台，并采用集成化分光装置实现激发光和拉曼散射光的传输，由于光纤嵌入式微流芯片通过多模光纤和双孔毛细管实现检测，且分光装置将滤光片、反射镜和二向色镜集成在一个模块中，由此实现了全光纤光路的传输，从而提高了检测装置的稳定性和可靠性，使得整个检测装置易于携带且不易受外界干扰。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于SERS的光纤嵌入式微流芯片示意图；
图2为本发明实施例提供的检测装置示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1为注入导管，2为微流通道，3为流出导管，4为多模光纤，5为双孔毛细管，6为SERS基底，7为注射泵，8为光纤嵌入式微流芯片，9为回收池，10为激光光源，11为光谱仪，12为分光装置。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明所提供的基于SERS的光纤嵌入式微流芯片，如图1所示，包括：石英玻璃、注入导管1、微流通道2、流出导管3以及光纤SERS探针；微流通道2制备于石英玻璃中，用于提供样品溶液的流通通道；注入导管1和流出导管3均设置于石英玻璃外且分别与微流通道2的两端相连，注入导管1和流出导管3分别作为为样品溶液流通通道的入口和出口；光纤SERS探针嵌入石英玻璃中，包括多模光纤4、双孔毛细管5和SERS基底6；双孔毛细管5一端与微流通道2相连通，且双孔毛细管5的另一端的两孔中间部分被去除以使得两孔相连通，由此使得样品溶液能够从双孔毛细管5一端的一个孔流入然后从另一个孔流出；双孔毛细管5另一端的两孔中间被去除部分的长度等于双孔毛细管5的孔内径，以保证双孔毛细管5内部通道各处的流通量相同；多模光纤4与双孔毛细管5的另一端熔接在一起，用于输入激发光至双孔毛细管5中并输出双孔毛细管5中产生的拉曼散射光；多模光纤4的纤芯直径等于双孔毛细管5中两孔在其中心点连线方向上的总长度，以使得激发光和拉曼散射光在多模光纤4和双孔毛细管5之间传输时光的损耗最低；多模光纤4的包层外径等于双孔毛细管5的直径，以便于熔接；SERS基底6通过化学自组装法原位制备于双孔毛细管5的内壁，以通过表面增强拉曼散射效应增强双孔毛细管中的拉曼散射光。
本发明所提供的基于图1所示的基于SERS检测的光纤嵌入式微流芯片的监测装置，如图2所示，包括：注射泵7、光纤嵌入式微流芯片8、回收池9、激光光源10、光谱仪11以及分光装置12；注射泵7用于将样品溶液注入到微流通道2中；分光装置12为集成化分光装置，其将滤光片、反射镜和二向色镜集成在一个模块中，以实现全光纤光路的传输；分光装置12用于接收激光光源10产生的激发光并将其输入到多模光纤4中，分光装置12还用于接收由多模光纤4输出的拉曼散射光并将其输入到光谱仪11中；回收池9用于回收经微流通道2流出的样品溶液。
图2所示的检测装置工作时，由注射泵7通过注入导管1将样品溶液注入到微流通道2中，样品溶液沿微流通道2中流动，流经双孔毛细管5时，由双孔毛细管5的一个孔流入然后由另一个孔流出，之后继续沿微流通道2中流动，并通过流出管道3流入回收池9中；与此同时，激光光源10产生激发光，分光装置12接收到激发光后将激发光通过多模光纤4传输至双孔毛细管5中，双孔毛细管5内部通道中的样品溶液在激发光的激发下发生拉曼散射产生携带有样品物质特异性信息的拉曼散射光；拉曼散射光经多模光纤4导出后由分光装置12接收并传输至光谱仪11。
值得说明的是，本发明所提供的基于SERS检测的微流芯片中还可集成其他结构如对样品的预处理、分析后提取需要的成分和分离废液并回收等。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于SERS检测的光纤嵌入式微流芯片，其特征在于，包括：石英玻璃、微流通道(2)以及光纤SERS探针；
所述微流通道(2)制备于所述石英玻璃中，用于提供样品溶液的流通通道；
所述光纤SERS探针嵌入所述石英玻璃中，包括：多模光纤(4)、双孔毛细管(5)和SERS基底(6)；所述双孔毛细管(5)一端与所述微流通道(2)相连通，且所述双孔毛细管(5)的另一端的两孔中间部分被去除以使得两孔相连通，由此使得样品溶液能够从所述双孔毛细管(5)一端的一个孔流入然后从另一个孔流出；所述多模光纤(4)与所述双孔毛细管(5)的另一端熔接在一起，用于输入激发光至所述双孔毛细管(5)中并输出所述双孔毛细管(5)中产生的拉曼散射光；所述SERS基底原位制备于所述双孔毛细管(5)的内壁上，用于增强双孔毛细管中的拉曼散射光。
2.如权利要求1所述的基于SERS检测的光纤嵌入式微流芯片，其特征在于，所述多模光纤(4)的纤芯直径等于所述双孔毛细管(5)中两孔在其中心点连线方向上的总长度。
3.如权利要求1所述的基于SERS检测的光纤嵌入式微流芯片，其特征在于，所述多模光纤(4)的包层外径等于所述双孔毛细管(5)的直径。
4.如权利要求1所述的基于SERS检测的光纤嵌入式微流芯片，其特征在于，所述双孔毛细管(5)的另一端的两孔中间被去除部分的长度等于所述双孔毛细管(5)的孔内径。
5.如权利要求1所述的基于SERS检测的光纤嵌入式微流芯片，其特征在于，还包括注入导管(1)和流出导管(3)；所述注入导管(1)和所述流出导管(3)均设置于所述石英玻璃外且分别与所述微流通道(2)的两端相连。
6.一种基于权利要求1-5任一项所述的基于SERS检测的光纤嵌入式微流芯片的检测装置，其特征在于，包括：注射泵(7)、光纤嵌入式微流芯片(8)、激光光源(10)、光谱仪(11)以及分光装置(12)；所述注射泵(7)用于将样品溶液注入到所述微流通道(2)中；所述分光装置(12)为集成化分光装置，所述分光装置(12)用于接收所述激光光源(10)产生的激发光并将其输入到所述多模光纤(4)中，所述分光装置(12)还用于接收由所述多模光纤(4)输出的拉曼散射光并将其输入到所述光谱仪(11)中。
7.如权利要求6所述的检测装置，其特征在于，还包括回收池(9)，用于回收经所述微流通道(2)流出的样品溶液。
8.如权利要求6所述的检测装置，其特征在于，所述分光装置(12)将滤光片、反射镜和二向色镜集成在一个模块中，以实现全光纤光路的传输。
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