CN110597321B - 一种皮升级别液体的温度控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种皮升级别液体的温度控制装置，包括C型光纤微腔单元和温度循环单元，其中C型光纤微腔单元作为反应容器，内部填充皮升级别的反应液；温度循环单元实现对C型光纤微腔内部填充的反应液进行超快加热以及反应液的温度测量，并进一步形成温度循环。本发明一种皮升级别液体的温度控制装置胜过现有温度控制系统的优点有：实现对皮升级别的液体样本进行实验，显著减少了所需样本体积；超快加热速率，在毫秒级别；全光纤系统，具有小体积、良好地生物相容性，便携性以及抗电磁干扰特性。

Description

一种皮升级别液体的温度控制装置
技术领域
本发明属于光纤检测设备技术以及生物检验设备领域，涉及一种皮升级别液体的温度控制装置。
背景技术
在生物领域，在一些反应中，对液体的反应温度有严格的要求，例如在聚合酶链反应(PCR)就需要对微小体积的液体进行温度控制，PCR技术由Kary Mullis1于1984年发明(Mullis,K.,Faloona,F.,Scharf,S.,Saiki,R.,Horn,G.et al.Specific enzymaticamplification of DNA in vitro:the polymerase chain reaction.Cold SpringHarbSymp Quant Biol51,263-273(1986))，用于扩增单个脱氧核糖核酸(DNA)片段，此技术可以用于测序、基因分型和克隆。1993年，Kary Mullis因发明PCR技术而获得诺贝尔化学奖。PCR是生物化学中最基本、最重要的技术之一。PCR系统由温度控制系统组成。通过温度控制系统对PCR反应液进行不同温度的循环，进而实现对目标DNA的扩增。然而，使用传统的温度控制系统，只能实现对微升级别的液体进行温度控制，并实现扩增，存在样本体积大、温度响应慢的缺点，同时目前的温度控制系统存在体积大，功耗高的缺点，由于其功耗高，重量重，因此其便携性有限(Petralia,S.&Conoci,S.PCR Technologies for Point ofCare Testing:Progress and Perspectives.ACS Sens.2,876-891(2017))。
发明内容
本发明针对目前现存温度控制器存在的功耗高、重量重、所需样本体积大、便携性差等问题，提出了一种皮升级别液体的温度控制装置。
为了达到上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种皮升级别液体的温度控制装置，包括：C型光纤微腔单元(1)、温度控制单元(2)，其中C型光纤微腔单元(1)由多模光纤A(3)、C型特种光纤(4)、多模光纤B(5)以及单模光纤(6)依次熔接而成，单模光纤与C型光纤之间熔接一段多模光纤，是为了增大激光入射面积，使C型光纤微腔内反应液更均匀的受热。其中单模光纤一侧端面作为加热激光、宽谱光源入射端面，多模光纤一侧端面作为荧光激发光源入射以及荧光探测端面。C型特种光纤上形成允许反应液填充的皮升级别的开放式微腔(7)；
所述的温度控制单元(1)，包括激光超快加热部分和温度测量部分，其中激光超快加热部分由激光器(9)以及上位机(15)构成，激光器(9)发射激光通过光纤耦合器(14)进入C型光纤微腔单元的单模光纤(6)端，通过控制激光功率强度实现对腔内液体的加热和冷却；温度测量部分主要由FBG波长解调仪(10)构成，FBG波长解调仪(10)产生宽谱光依次通过隔离器(111)、环形器(13)和耦合器(14)进入C型光纤微腔单元的单模光纤(7)端并产生Fabry-Perot干涉；干涉谱经由耦合器(14)、环形器(13)及滤波器A(12)，最终继续由FBG波长解调仪(10)分析并提取温度参量。
所述C型光纤的微腔(7)表面进行油封，防止C型光纤微腔内反应液泄漏以及与外界温度的热传递。
激光器(9)为产生1440nm波长的激光器。因为1440nm为水的最佳吸收波长，加热效果最好。FBG波长解调仪(10)的波长解调范围为1510nm-1590nm。滤波器A(12)为1500nm长波长通过滤波器。
上述耦合器的目的是将加热激光以及宽谱光源同时耦合进入C型光纤微腔单元，隔离器以及长波长通过滤波器的作用是防止反射的1440nm加热激光进入解调仪影响Fabry-Perot干涉谱的检测，其数量可以根据搭建光路需求进行调整。
所述温度控制单元，通过加热激光实现对C型光纤微腔内填充的反应液的超快(毫秒级别)加热以及冷却，并通过C型光纤微腔本身存在的Fabry-Perot干涉作为温度传感器实现对C型光纤微腔内部反应液的温度测量，并将此温度反应给加热激光器，从而实现对微腔液体的温度控制。
所述的C型光纤微腔单元中的C型光纤微腔体积通过调整C型光纤长度进行控制，其体积在皮升到纳升之间进行调节。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1)本发明采用C型光纤微腔作为反应容器，可以实现对皮升级别的液体样本进行实验，显著减少了所需样本体积，同时由于光纤具有可远程传输的能力，因此使用C型光纤微腔作为反应容器具有很好的便携性，同时全光纤系统具有很好的生物相容性和抗电磁干扰能力。
2)本发明采用1440nm激光对反应液进行加热，1440nm为水的光学吸收峰，因此具有超快的加热速率，在毫秒级别。
3)本发明使用Fabry-Perot干涉能够实现对C型光纤微腔内反应液内部温度的实时测量，解决了目前无法实现对皮升级别液体温度实时测量的问题。
综上所述，本发明提出的一种皮升级别液体的温度控制装置具有小体积、超快的温度响应速度、实时温度反馈、良好的便携能力、所需样本量少、很好的生物相容性、抗电磁干扰等优点，具有很高的使用价值。
附图说明
图1是一种皮升级别液体的温度控制装置。
图2是C型光纤微腔单元结构示意图。
图3是C型光纤微腔单元显微镜图。
图4是C型光纤截面图。
图5是随温度变化的Fabry-Perot干涉图谱。
图6是使用1440nm激光加热形成的温度控制图。
图中：1C型光纤微腔单元；2温度控制单元；3多模光纤A(MMF)；4C型特种光纤(C-fiber)；5多模光纤B(MMF)；6单模光纤(SMF)；7微腔；8矿物油；9激光器；10FBG波长解调仪(具有发出①端口和接收②端口)；11隔离器；12滤波器A；13环形器(具有①②③三个口)；14耦合器；15上位机。
具体实施方式
为使上述目的、优点更加易懂，下面结合附图以及具体实施方式对本发明进一步说明。显然，本发明所描述的实例仅仅是本发明一部分实例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域在没有做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。
本发明为一种皮升级别液体的温度控制装置。具体实施方案如下：该系统包括C型光纤微腔单元1，温度控制单元2，其系统图如图1所示。
光纤微腔单元如图2所示，光纤微腔单元1用于填充待反应的溶液，拟通过使用多模光纤A(MMF)3、C型特种光纤(C-fiber)4、多模光纤B5以及单模光纤(SMF)6依次熔接而成，如图1所示，其中单模光纤6与C型特种光纤之4间熔接一段多模光纤5，是为了增大激光入射面积，使填充反应液的微腔7更均匀的受热，进一步将填充反应液的微腔7使用矿物油9进行密封，防止反应液溢出以及与外界的温度交换。
图2为光纤微腔单元显微镜图，如3为C型特种光纤截面图，此种光纤具有一个开放的空气孔，允许液体进入光纤中间。由于C型特种光纤具有开放的通道，允许反应液进入微腔之中。在本实例中，C型特种光纤内径为42μm，长度为150μm，因此光纤微腔体积约为200pL，其体积可以通过调整光纤微腔长度进行调整。
温度控制单元2用于实现对反应液的温度控制，温度控制单元2如图1所示，包括激光加热部分以及温度测量部分，激光加热部分主要包括1440nm激光器9，1440nm为水的特征吸收峰，1440nm激光通过光纤耦合器14进入光纤微腔单元1，通过控制激光功率强度可以实现对腔内液体的加热和冷却；温度测量部分主要由1510nm-1590nm的FBG波长解调仪10构成，FBG波长解调仪10产生宽谱光由①端口发出，通过隔离器11、环形器13(①②)和耦合器14进入光纤微腔单元1并产生Fabry-Perot干涉，Fabry-Perot干涉谱经由耦合器14、环形器13(②③)及1500nm长波长通过滤波器A12，最终继续由FBG波长解调仪10分析的②端口接收，并提取温度参量，实现对光纤微腔单元内的反应液温度的测量，此温度参量通过上位机15反馈给1440nm激光器9，控制激光的强度从而控制微腔液体温度。其中1500nm长波长通过滤波器的目的为防止1440nm激光进入FBG解调仪，影响Fabry-Perot干涉谱的检测。
图3为制作完成的光纤微腔单元显微镜图。
图4为C型特征光纤截面图。
图5为FBG解调仪10接收到的随温度变化的Fabry-Perot干涉谱图，通过上位机15对此信号进行解调，可以实现对光纤微腔内反应液温度的测量，并将此温度信号反馈给1440nm激光器9，控制激光的强度从而控制微腔液体温度。
本发明实例中，通过在光纤微腔中填充水溶液，并以温度控制目标60℃和95°为例，实现对此水溶液的60℃和95℃的温度循环控制。图6为温度控制单元2在填充反应液的光纤微腔单元1内形成的温度控制示意图，从图6可以得出结论，此温度控制单元2能够实现对光纤微腔单元1内反应液形成温度控制，且温度响应速度在毫秒级别。
本发明与目前的温度控制仪相比，可以实现对皮升级别的液体样本进行实验，显著减少了所需样本体积，同时由于光纤具有可远程传输的能力，因此使用C型光纤微腔作为PCR反应容器具有很好的便携性。同时由于本发明采用1440nm激光对PCR反应液进行加热，1440nm为水的光学吸收峰，因此具有超快的加热速率，在毫秒级别。

Claims (6)

1.一种皮升级别液体的温度控制装置，其特征在于，包括：C型光纤微腔单元(1)、温度循环单元(2)，其中C型光纤微腔单元(1)由多模光纤A(4)、C型特种光纤(5)、多模光纤B(6)以及单模光纤(7)依次熔接而成，C型特种光纤上形成允许反应液填充的皮升级别的开放式微腔(8)；
所述的温度循环单元(2)，包括激光超快加热部分和温度测量部分，其中激光超快加热部分由激光器(10)以及上位机(21)构成，激光器(10)发射激光通过光纤耦合器(17)进入C型光纤微腔单元的单模光纤(7)端，通过控制激光功率强度实现对腔内液体的加热和冷却；温度测量部分主要由FBG波长解调仪(11)构成，FBG波长解调仪(11)产生宽谱光依次通过隔离器(14)、环形器(16)和耦合器(17)进入C型光纤微腔单元的单模光纤(7)端并产生Fabry-Perot干涉；干涉谱经由耦合器(17)、环形器(16)及滤波器A(15)，最终继续由FBG波长解调仪(11)分析并提取温度参量。
2.根据权利要求1所述的皮升级别液体的温度控制装置，其特征在于，C型光纤的微腔(8)表面进行油封，防止C型光纤微腔内反应液泄漏以及与外界温度的热传递。
3.根据权利要求项1或2所述的皮升级别液体的温度控制装置，其特征在于，激光器(10)为产生1440nm波长的激光器。
4.根据权利要求项1或2所述的皮升级别液体的温度控制装置，其特征在于，FBG波长解调仪(11)的波长解调范围为1510nm-1590nm。
5.根据权利要求项3所述的皮升级别液体的温度控制装置，其特征在于，滤波器A(15)为1500nm长波长通过滤波器。
6.根据权利要求项1或2所述的皮升级别液体的温度控制装置，其特征在于，所述的C型光纤微腔单元中的C型光纤微腔体积通过调整C型光纤长度进行控制，其体积在皮升到纳升之间进行调节。
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