CN110220874B - 一种提高荧光物质定向发光的微透镜复合微流通道 - Google Patents

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Abstract

本发明属于荧光检测领域，提供了一种提高荧光物质定向发光的微透镜复合微流通道结构，包括玻璃基底，所述玻璃基底上镀有厚度大于等于100nm的金属膜，所述金属膜上方设置有水平放置的微流管，所述微流管内设置有含有荧光物质的溶液；所述微流管为“跑道”型电介质柱体正中间刻蚀空心圆柱形成，所述“跑道”型电介质柱体的上端和下端为圆弧状，左右两端为竖直状。本发明可获得较大的增强倍数，可以广泛应用于荧光检测领域。

Description

一种提高荧光物质定向发光的微透镜复合微流通道
技术领域
本发明属于荧光检测领域，具体涉及一种提高荧光物质定向发光的微透镜复合微流通道，其可以应用于荧光物质离结构距离大于一个波长时的定向发光的领域。
背景技术
荧光检测是一种普遍的检测方法。荧光检测具有实时、高效、直观、灵敏等特点，可以广泛应用于生物医学检测，环境监测、化学分析等领域。在利用荧光物质作为荧光标记物的荧光检测中，荧光物质的发光效果对检测的灵敏度有直接的影响。在实际中影响荧光定向发光强度的因素主要是：一，荧光物质的自然发光是朝着四面八方的，荧光显微镜物镜或其他检测探头在某个方向上捕获到的光是有限的，这会导致较低的检测灵敏度；二、某些荧光物质由于本身量子产率低发光强度较弱。因此在实际的检测中实现荧光物质的荧光定向增强有重要的意义。
当前，利用微纳结构独特的光学性质来实现荧光的定向增强是一种较为普遍的方法。利用贵金属微纳结构的表面等离子体共振（SPR）或局域表面等离子体共振（LSPR）可以实现有效的荧光定向增强。这些贵金属微纳结构主要有薄膜型、光栅型、纳米线型、单个纳米颗粒以及纳米颗粒的阵列等。利用光子晶体（PC）的光子禁带和光子局域特性也可以实现荧光的定向增强，常见的可增强荧光的光子晶体主要有一维型、二维型和三维型。是这些增强方式的一个共同缺点是：当采用金属等离子体结构和光子晶体结构的增强方式时，荧光物质离结构距离必须在亚波长以下，而离结构距离大于一个波长的荧光物质的发光不能被有效增强。而在实际的检测中，荧光物质的存在具有随机性，不可能固定在结构亚波长范围内。因此，离结构距离大于一个波长的荧光物质的发光增强也被进行了研究。
电介质微透镜作为一种使用电介质材料制作的结构，近年来受到了广泛的关注，利用电介质微透镜可以解决金属等离子体结构与光子晶体对荧光增强的限制。其良好的光汇聚性可以使距离微透镜较远处（大于一个波长）的荧光物质的荧光得到汇聚，进而实现定向增强。此外，微透镜较低的光吸收性和使用时无需特殊耦合条件的特点也有助于它的广泛应用。利用微透镜实现荧光定向增强的研究已经被报道过。Wang等人利用飞秒激光直写法在Foturan玻璃上制作成了微透镜集成芯片，使微流腔内荧光染料的荧光定向增强了8倍。Mirkhalaf等人在光纤末端采用压缩成型法制作了单个的独立微透镜，提升了3倍的荧光定向收集效率。Lim等人在金属微流槽上制作了半椭球型微透镜阵列，实现了8倍的荧光信号定向增强，提高了并行微流检测的灵敏度。Yu等人利用模具在量子点发光二极管(QLED)表面上压铸出了半球形光刻胶微透镜阵列，使QLED的荧光定向发射强度提高了64%。总之，当前利用电介质微透镜增强荧光的方式主要是在荧光物质单侧放置微透镜，而不在微透镜孔径范围内的荧光不能被收集，荧光的定向增强效果并不好，增强倍数不高。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种提高荧光物质定向发光的微透镜复合微流通道。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种提高荧光物质定向发光的微透镜复合微流通道结构，包括玻璃基底，所述玻璃基底上镀有厚度大于等于100nm的金属膜，所述金属膜上方设置有水平放置的微流管，所述微流管内设置有含有荧光物质的溶液；所述微流管为“跑道”型电介质柱体正中心刻蚀空心圆柱形成，所述“跑道”型电介质柱体的上端和下端为圆弧状，左右两端为竖直状。
所述微流管的折射率为1.5~1.7。
所述微流管内的空心圆柱直径是6~7μm，管壁上端和下端最厚处的厚度为1~2μm，管壁两侧最薄处的厚度小于1μm，所述微流管上端和下端的曲率为1/3.5~1/4μm-1。
所述微流管内的空心圆柱直径是6.4μm，管壁上端和下端最厚处的厚度为1μm，管壁两侧最薄处的厚度为0.4μm，所述微流管上端和下端的曲率为1/3.6μm-1。
所述溶液的折射率为1.33~1.5。
所述金属膜的材料为金、银、铜或铝。
所述溶液为生物溶液。
荧光物质为量子点、荧光染料或上转换纳米粒子。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明构建了一种利用微透镜实现荧光定向增强的新结构，即微透镜复合微流通道，它增强荧光的方式是在荧光物质双侧放置微透镜。当在该微流通道下方放置银微反射镜后，荧光物质发出的荧光在经过上下两侧微透镜的汇聚和银膜的定向反射作用后，会形成汇聚性良好的光束，并朝着垂直于基底正上方发射出去。从而可以实现荧光物质的良好定向增强。与只放在单纯的玻璃基底上的荧光物质相比，微流通道内荧光物质的荧光可获得较大的增强倍数。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种提高荧光物质定向发光的微透镜复合微流通道的二维截面示意图；
图2为量子点位于微流腔竖直中轴线上离底部0.8μm处的发光功率随波长的曲线图；
图3为量子点位于微流腔竖直中轴线上离底部0.8μm处的发光电场分布图；
图4为微流腔内等间隔选取的17个量子点位置的示意图；
图5为微流腔中量子点位于17个位置上的总发射远场分布。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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。
如图1所示，本发明实施例提供了一种提高荧光物质定向发光的微透镜复合微流通道结构，包括玻璃基底1，所述玻璃基底1上镀有厚度大于等于100nm的金属膜2，所述金属膜2上方设置有水平放置的微流管3，所述微流管3内设置有含有荧光物质的溶液4；所述微流管3为在“跑道”型电介质柱体中心刻蚀空心圆柱形成，所述“跑道”型电介质柱体的上端和下端为圆弧状，左右两端为竖直状。
具体地，本实施例中，所述微流管3的折射率为1.5~1.7，微流管所用材料可以为PMMA。所述金属膜2的材料可以为金、银、铜、铝或白金等具有高反射率的材料。所述溶液4为生物溶液。
具体地，本实施例中，所述微流管3内的空心圆柱直径是6~7μm，管壁上端和下端最厚处的厚度为1~2μm，管壁两侧最薄处的厚度小于1μm，所述微流管3上端和下端的曲率为1/3.5~1/4μm-1。所述溶液4的折射率为1.33~1.5。
进一步地，本实施例中，所述微流管3内的空心圆柱直径是6.4μm，管壁上端和下端最厚处的厚度为1μm，管壁两侧最薄处的厚度为0.4μm，所述微流管3上端和下端的曲率为1/3.6μm-1。所述溶液4的折射率为1.33。
本实施例中，整个微流管可看成由上下两个凸微透镜所组成。在使用时，向PMMA微流管内部通入含有荧光物质的溶液，生物溶液的折射率为1.33。荧光物质发出的光在经过上下两个微透镜的汇聚以及银膜的定向反射作用后可以形成汇聚性良好的光束并向正上方发射，从而实现良好的定向增强。
如图2所示，为量子点位于微流腔竖直中轴线上离底部0.8μm处的发光功率随波长的曲线图；从图中可以看出，与只放在单纯的玻璃基底上的荧光物质相比，本发明实施例中微流通道内荧光物质的荧光可获得较大的增强倍数。
如图3所示，为量子点位于微流腔竖直中轴线上离底部0.8μm处的发光电场分布图，从图中可以看出，本发明可以提高荧光物质定向发光的强度。
在微流腔内选取如图4所示的17个量子点位置，进行总发射远场分布的计算，计算结果如图5所示，从图5中可以看出，相对于单纯的玻璃基底上的荧光物质，本发明实施例提供的微流通道可产生较好的定向发光效果。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种提高荧光物质定向发光的微透镜复合微流通道结构，其特征在于，包括玻璃基底（1），所述玻璃基底（1）上镀有厚度大于等于100nm的金属膜（2），所述金属膜（2）的材料为具有高反射率的金、银、铜、铝或白金材料，所述金属膜（2）上方设置有水平放置的微流管（3），所述微流管（3）内设置有含有荧光物质的溶液（4）；所述微流管（3）为“跑道”型电介质柱体正中心刻蚀空心圆柱形成，可看成由上下两个凸微透镜所组成；所述“跑道”型电介质柱体的上端和下端为圆弧状，左右两端为竖直状；
所述微流管（3）的折射率为1.5~1.7；
所述微流管（3）内的空心圆柱直径是6~7μm，管壁上端和下端最厚处的厚度为1~2μm，管壁两侧最薄处的厚度小于1μm，所述微流管（3）上端和下端的曲率为1/3.5~1/4μm-1；
所述溶液（4）的折射率为1.33~1.5。
2.根据权利要求1所述的一种提高荧光物质定向发光的微透镜复合微流通道结构，其特征在于，所述微流管（3）内的空心圆柱直径是6.4μm，管壁上端和下端最厚处的厚度为1μm，管壁两侧最薄处的厚度为0.4μm，所述微流管（3）上端和下端的曲率为1/3.6μm-1。
3.根据权利要求1所述的一种提高荧光物质定向发光的微透镜复合微流通道结构，其特征在于，所述溶液（4）为生物溶液。
4.根据权利要求1所述的一种提高荧光物质定向发光的微透镜复合微流通道结构，其特征在于，荧光物质为量子点、荧光染料或上转换纳米粒子。
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