CN110764186A - 光波导基板和微流控装置 - Google Patents

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Abstract

一种光波导基板和微流控装置。该光波导基板包括：光波导层，包括设置在光波导层一表面上的多个入光口；以及多个取光结构，多个取光结构在光波导层上的正投影间隔设置，多个入光口被配置为使多种波长范围的光入射光波导层，各入光口被配置为使多种波长范围的光中的单一波长范围的光射入光波导层并进行全反射传输，多个取光结构与多个入光口一一对应设置，各多个取光结构被配置为使对应的入光口射入的单一波长范围的光从光波导层出射。该光波导基板可在不同的取光结构提供不同的单一波长范围的光，从而可帮助实现对多种物质或分子的快速检测。

Description

光波导基板和微流控装置
技术领域
本公开的实施例涉及一种光波导基板和微流控装置。
背景技术
微流控(Microfluidics)芯片技术是一种把生物、化学、或医学分析过程中的样品制备、稀释、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微型芯片上的技术，从而可自动完成整个分析过程。
由于具有分析精度高、分析速度快、轻薄、消耗试剂少、高度集成化、高度自动化、可多次使用等优点，微流控芯片技术在生物、化学、医学等领域的具有巨大的市场潜力，并且已经成为当前研究的热点。
在微流控芯片技术中，光学检测法是当前应用最广泛、最有效的方法之一。光学检测法可包括荧光检测法、紫外-可见吸收光谱检测法、化学发光和生物发光法以及拉曼散射检测法等。其中，紫外-可见吸收光谱检测法不仅可对待测物质进行检测，并且还可实现定量分析、结构分析、官能团鉴定等功能。
发明内容
本公开实施例提供一种光波导基板和微流控装置。该光波导基板可在不同的取光结构提供不同的单一波长范围的光，从而便于对微流控装置中的微流通道中不同位置(对应上述的不同取光结构)的多种待测物质同时进行标定和检测，从而实现多种物质或分子的快速检测。
本公开至少一个实施例提供一种光波导基板，其包括：光波导层，包括设置在所述光波导层一表面上的多个入光口；以及多个取光结构，所述多个取光结构在所述光波导层上的正投影间隔设置，所述多个入光口被配置为使多种波长范围的光入射所述光波导层，各所述入光口被配置为使所述多种波长范围的光中的单一波长范围的光射入所述光波导层并进行全反射传输，所述多个取光结构与所述多个入光口一一对应设置，各所述多个取光结构被配置为使对应的所述入光口射入的所述单一波长范围的光从所述光波导层出射。
例如，在本公开一实施例提供的光波导基板中，所述光波导层所在的平面包括第一方向和与所述第一方向垂直的第二方向，所述多个入光口在所述光波导层上的正投影在所述第二方向间隔设置，所述多个取光结构在所述光波导层上的正投影在所述第二方向间隔设置。
例如，在本公开一实施例提供的光波导基板中，对应设置的所述入光口和所述取光结构的连线平行于所述第一方向。
例如，在本公开一实施例提供的光波导基板中，相邻的所述多个入光口之间的距离大于所述多个取光结构与所述入光口在所述第一方向的最大距离的1/6。
例如，在本公开一实施例提供的光波导基板中，所述多个取光结构设置在所述光波导层与所述入光口相对的表面上。
例如，在本公开一实施例提供的光波导基板中，所述光波导层包括层叠设置的多个光波导介质层以及设置在相邻的所述光波导介质层之间的间隔层，各所述光波导介质层的折射率大于空气和所述间隔层的折射率，不同所述光波导介质层的折射率不同。
例如，在本公开一实施例提供的光波导基板中，所述多种波长范围的光包括第一波长范围的光，所述多个光波导介质层包括：第一光波导介质层，被配置为使所述第一波长范围的光在第一光波导介质层进行全反射传播；以及第二光波导介质层，被配置为使所述多种波长范围的光中除了所述第一波长范围的光之外的其他波长范围的光在第二光波导介质层进行全反射传播，所述多个取光结构包括第一取光结构，位于所述第一光波导介质层远离所述多个入光口的表面上，并被配置为使所述第一光波导介质层中的所述第一波长范围的光出射；所述多个取光结构中除了所述第一取光结构之外的其他取光结构位于所述第二光波导介质层远离所述入光口的表面上，并被配置为使所述第二光波导介质层中的所述其他波长范围的光出射。
例如，在本公开一实施例提供的光波导基板中，所述多个光波导介质层被配置为使所述多种波长范围的光中不同的波长范围的光分别在不同的所述光波导介质层进行全反射传播。
例如，在本公开一实施例提供的光波导基板中，所述多种波长范围的光包括第一波长范围的光、第二波长范围的光和第三波长范围的光，所述多个光波导介质层包括：第一光波导介质层，被配置为使所述第一波长范围的光在第一光波导介质层进行全反射传播；第三光波导介质层，被配置为使所述第二波长范围的光在第二光波导介质层进行全反射传播；以及第四光波导介质层，被配置为使所述第三波长范围的光在第三光波导介质层进行全反射传播，所述多个取光结构包括第一取光结构，位于所述第一光波导介质层远离所述多个入光口的表面上，并被配置为使所述第一光波导介质层中的所述第一波长范围的光出射；第二取光结构，位于所述第二光波导介质层远离所述多个入光口的表面上，并被配置为使所述第三光波导介质层中的所述第二波长范围的光出射；以及第三取光结构，位于所述第三光波导介质层远离所述多个入光口的表面上，并被配置为使所述第四光波导介质层中的所述第三波长范围的光出射。
例如，在本公开一实施例提供的光波导基板中，所述多个入光口包括第一入光口、第二入光口和第三入光口，所述第一入光口和所述第一取光结构沿所述第一方向间隔设置，并被配置为使所述第一波长范围的光射入所述第一光波导介质层，所述第二入光口和所述第二取光结构沿所述第一方向间隔设置，并被配置为使所述第二波长范围的光射入所述第三光波导介质层，所述第三入光口和所述第三取光结构沿所述第一方向间隔设置，并被配置为使所述第三波长范围的光射入所述第四光波导介质层。
例如，在本公开一实施例提供的光波导基板中，所述取光结构中的每个包括光栅结构、取光网点、滤波结构和微反射镜中的至少一个。
例如，在本公开一实施例提供的光波导基板中，所述多种波长范围的光中不同的波长范围的光的波长范围不重叠。
本公开至少一个实施例提供一种微流控装置，包括上述任一项所述的光波导基板。
例如，本公开一实施例提供的微流控装置还包括：多个光源，设置在所述光波导层设置有所述多个入光口的一侧，各所述光源被配置为发出单一波长范围的光，所述多个光源与所述多个入光口一一对应设置，各所述入光口被配置为使对应设置的光源发出的所述单一波长范围的光射入所述光波导层。
例如，本公开一实施例提供的微流控装置还包括：衬底基板；位于所述衬底基板与所述光波导基板之间的微流通道层；以及多个探测器，设置在所述衬底基板上，所述多个入光口位于所述光波导基板远离所述微流通道层的一侧，所述微流通道层包括多个微流通道，所述多个取光结构在所述衬底基板上的正投影分别落入所述多个微流通道在所述衬底基板上的正投影内，所述多个探测器在所述衬底基板上的正投影分别覆盖所述多个取光结构在所述衬底基板上的正投影，所述多个探测器被配置为分别接收从所述多个取光结构射出的光。
例如，本公开一实施例提供的微流控装置还包括：保护层，位于所述光波导层靠近所述微流通道层的一侧。
例如，本公开一实施例提供的微流控装置还包括：第一疏水层，位于所述保护层远离所述光波导基板的一侧；以及第二疏水层，位于所述探测器和所述衬底基板靠近所述微流通道层的一侧。
例如，本公开一实施例提供的微流控装置还包括：多个微反应池，与所述多个微流通道一一对应设置并与对应设置的所述微流通道相连通，各所述微反应池在所述衬底基板上的正投影位于对应设置的所述入光口与所述取光结构之间。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本公开的一些实施例，而非对本公开的限制。
图1为本公开一实施例提供的一种光波导基板的侧面示意图；
图2为根据本公开一实施例提供的一种光波导基板的平面示意图；
图3为根据本公开一实施例提供的另一种光波导基板的侧面示意图；
图4为根据本公开一实施例提供的另一种光波导基板的侧面示意图；
图5A-5C为根据本公开一实施例提供的一种微流控装置的侧面示意图；
图6为根据本公开一实施例提供的一种微流控装置的平面示意图；以及
图7为根据本公开一实施例提供的另一种微流控装置的平面示意图。
具体实施方式
为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例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公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。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组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
在一些生物、化学、或医学分析过程中，需要利用多个单一波长范围的光对多种待测物质或分子进行检测。然而，通常的微流控芯片只能利用一种波长范围的光对一种物质进行检测。因此，本申请的发明人想到设计一种光波导基板，使不同波长范围的光可在光波导基板中进行传输并在不同的取光结构出射；各取光结构取出的光为单一波长范围的光，不同的取光结构取出不同波长范围的光，从而实现对多种待测物质或细胞的一次性快速检测。
本公开实施例提供一种光波导基板和微流控装置。该光波导基板包括光波导层以及多个取光结构。光波导层包括设置在光波导层一表面上的多个入光口；多个取光结构在光波导层上的正投影间隔设置，多个入光口被配置为使多种波长范围的光入射光波导层，各入光口被配置为使多种波长范围的光中的单一波长范围的光射入光波导层并进行全反射传输，多个取光结构与多个入光口一一对应设置，各多个取光结构被配置为使对应的入光口射入的单一波长范围的光从光波导层出射。该光波导基板可在不同的取光结构提供不同的单一波长范围的光，从而便于对微流控装置中的微流通道中不同位置(对应上述的不同取光结构)的多种待测物质同时进行标定和检测，从而实现多种物质或分子的快速检测。因而，采用该光波导基板的微流控装置可高效地、快速地、精确地对多种物质或分子进行检测。
下面，结合附图对本公开实施例提供的光波导基板和微流控装置进行详细的说明。
本公开一实施例提供一种光波导基板。图1为本公开一实施例提供的一种光波导基板的侧面示意图。该光波导基板包括光波导层110以及多个取光结构120。光波导层110包括设置在光波导层110一表面上的多个入光口112；多个取光结构120在光波导层110上的正投影间隔设置，多个入光口112被配置为使多种波长范围的光入射光波导层110，各入光口112被配置为使多种波长范围的光中的单一波长范围的光射入光波导层110并进行全反射传输，多个取光结构120与多个入光口112一一对应设置，各多个取光结构120被配置为使对应的入光口112射入的单一波长范围的光从光波导层110出射。
本实施例提供的光波导基板可在不同的取光结构提供不同的单一波长范围的光。从多个取光结构出射的多种单一波长范围的光可对于多个取光结构一一对应设置的待测物质或分子同时进行标定和检测，从而实现多种物质或分子的快速检测。因而，采用该光波导基板的微流控装置可高效地、快速地、精确地对多种物质或分子进行检测。并且，该光波导基板将多个取光结构设置在同一光波导层上，从而有利于微流控装置的微型化和集成化。
例如，如图1所示，多个入光口112可用于使多个光源200发出的多种波长范围的光射入光波导层110。例如，上述的多个光源200可包括三个光源210、220和230，分别发出单一波长范围的光，三个光源210、220和230发出的光可分别通过多个入光口112射入光波导层110。光波导层110被配置为使多种波长范围的光在光波导层110进行全反射传输，多个取光结构120在光波导层110上的正投影间隔设置，各取光结构120被配置为使多种波长范围的光中单一波长范围的光从光波导层110出射。例如，当光源200可包括三个光源210、220和230，并且三个光源210、220和230分别发出单一波长范围的光时，多个取光结构120可包括第一取光结构121、第二取光结构122和第三取光结构123；第一取光结构121可使三个光源210、220和230中光源210发出的单一波长范围的光从光波导层110出射；第二取光结构122可使三个光源210、220和230中光源220发出的单一波长范围的光从光波导层110出射；第三取光结构123可使三个光源210、220和230中光源230发出的单一波长范围的光从光波导层110出射。需要说明的是，为了清楚地进行描述，图1所示的侧面同时示出了三种波长范围的光的传播路径；然而三种波长范围的光可不同时出现在该侧面上，而是分布在与该侧面平行，沿垂直于纸面方向与该侧面间隔的不同侧面上。另外，入光口可以为光波导层上的一个区域，也可为可使光射入光波导层的光学结构，例如光栅结构。
在本实施例提供的光波导基板中，该光波导基板可在不同的取光结构提供不同的单一波长范围的光，例如：620nm-750nm的红光、500nm–570nm的绿光、或476nm-495nm的蓝光。从多个取光结构出射的多种单一波长范围的光可对于多个取光结构一一对应设置的待测物质或分子同时进行标定和检测，从而实现多种物质或分子的快速检测。例如，可通过相应的探测器检测没有通过待测物质或分子的上述单一波长范围的光和通过待测物质或分子之后的上述单一波长范围的光的强度的比值，从而获取被待测物质或分子的吸光度。因而，采用该光波导基板的微流控装置可高效地、快速地、精确地对多种物质或分子进行检测。并且，该光波导基板将多个取光结构设置在同一光波导层上，从而有利于微流控装置的微型化和集成化。
需要说明的是，上述的单一波长范围是指该波长范围的上限值和下限值之差不超过150nm。另外，上述的单一波长范围的光不仅可包括可见光，也可包括紫外光等其他光，例如，上述的单一波长范围的光可包括220nm-280nm的紫外光。另外，上述的光波导层可通过设置光波导层的折射率和多种波长范围的光的入射角度来使多种波长范围的光在光波导层进行全反射传输。
例如，在一些示例中，多种波长范围的光中不同的波长范围的光的波长范围不重叠。例如：620nm-750nm的红光、500nm–570nm的绿光、或476nm-495nm的蓝光。
例如，多种波长范围的光在光波导层中传播的过程中，在光波导层的上、下界面都会产生全反射角。假设光波导层的折射率为n1，光波导层上侧的介质的折射率为n0，光波导层下侧的介质的折射率为n2(例如n2>n0)，此时，光波导层的上、下界面(与光波导层上侧的介质和光波导层下侧的介质接触的面)的全反射角分别为：
θ0＝arcsin(n0/n1)
θ1＝arcsin(n2/n1)
当多种波长范围的光的入射角θ满足：θ0<θ1<θ<90时，多种波长范围的光就可在光波导层的上、下界面发生全反射。而当多种波长范围的光的入射角θ满足：θ0<θ<θ1时，光波导层的下界面的全反射体条件被破坏，当多种波长范围的光的入射角θ满足：θ<θ0<θ1时，光波导层的上、下界面的全反射条件被破坏。
光波导层与上下两侧的介质层可构成一个波导；当单一波长范围的光以入射角θ入射到光波导层(折射率为n1)，满足全反射条件时在光波导层进行全反射传输，当全反射界面被取光结构破坏时，光波导层处于截至状态，多种波长范围的光就会从取光结构出射。当n1>n2>n0时，且入射角θ＝θ1，即处于截至的临界状态时，特征方程可以写成：
其中，m是常数，
Figure BDA0001746351020000082
和
Figure BDA0001746351020000083
为全反射时的相位变化，λ为工作波长。如果单一波长范围的光的波长λ变化，必须调该单一波长范围的光的入射角θ，才能满足特征方程，形成导波。因此，当不同波长范围的光以不同的入射角进入进入不同波导，每个单一波长范围的光的入射角需大于其对应的波导的临界角，才能在其对应的波导内全反射传输。而当入射角θ＝θ1时，导波转化为辐射模，此时的波长就是该模的截至波长，则：
Figure BDA0001746351020000084
上下界面都是全反射界面，因此不管是TE波(正交极化波或水平极化波)还是TM波(平行极化波或垂直极化波)，都有
Figure BDA0001746351020000086
因此可以计算出截至波长为：
Figure BDA0001746351020000085
由上式可知，各模式的截至波长可由波导参数决定n1、n0、n2和h共同决定，与外加频率无关。不同模式具有不同的截至波长，模式越高，截至波长越短。另外：
Figure BDA0001746351020000087
也就是说，光波导层的膜厚越厚，h越大，n1和n2差别越大，波导中的模式数量就越多。在本申请的实施例中，各波导都以单模m＝1取出各波长，因此，此时光波导层的厚度h最小，即波导最薄。需要说明的是，光波导层的具体厚度和波导参数设计可通过波动光学软件模拟计算得到，如Luemrical.com的FDTD或者COMSOL等。
例如，光波导层上侧的介质可为空气，光波导层下侧的介质可为保护层或疏水层，因此，光波导层的折射率分别大于空气和保护层或疏水层的折射率。
例如，光波导层可采用透明材料制作。例如，光波导层的材料可包括：氧化铟锡(ITO)、氧化硅、氮化硅、玻璃、或树脂。
例如，在一些示例中，多个取光结构可包括取出220nm-280nm的紫外光的取光结构和取出620nm-750nm的红光的取光结构，220nm-280nm的紫外光可用于检测待测物质或分子中总氮的量，620nm-750nm的红光可用于检测待测物质或分子中总磷的量。由此，该示例提供的光波导基板可同时用于检测总氮和总磷，从而可提高采用该光波导基板的微流控装置的效率。
例如，在一些示例中，如图1所示，入光口112可设置在光波导层110的一主表面上，多个取光结构120可设置在光波导层110远离入光口112的主表面上。需要说明的是，上述的主表面是指板状的光波导层中面积较大的两个相对的表面。
例如，在一些示例中，取光结构120中的每个包括光栅结构、取光网点、滤波结构和微反射镜中的至少一个。需要说明是，取光结构120可通过破坏全反射条件的方式将光波导层110中的单一波长范围的光取出。
例如，在一些示例中，各取光结构120包括光栅结构。此时，光栅结构的周期可根据需要取出的单一波长范围的光的波长、入射角、光波导层的折射率、光栅结构的材料的折射率、出射角等因素决定。
例如，在一些示例中，光栅结构的占空比大致为0.5。本公开实施例包括但不限于此，光栅结构的占空比可以偏离0.5。需要说明的是，上述的占空比是指光栅结构中光栅的宽度与光栅结构的总宽度的比值。
例如，当上述的光栅结构是透射型光栅时，光栅的周期可以通过下面的衍射光栅公式确定：
ni*sinθi–nd*sinθd＝m*λ/Λ(m＝0,+/-1,2,…)
其中，ni和θi分别为入射空间折射率和入射角度，m为衍射级次，Λ为光栅周期，λ为入射光波长，θd为衍射光方向与面板平面法线之间的夹角，nd为出射介质的折射率和光栅的等效折射率。光栅设计的入射角是各波长在光波导内的全反射角θd，出射的透射衍射光要求是准直垂直出射，取光光栅周期由：Λ＝m*λ/(nd*sinθd)大致计算得到。在实际的产品设计中，出光方向可以由专业的衍射光学软件进行精确设计。
例如，在一些示例中，取光结构120中的每个包括网点。此时，网点的大小和间距可根据包括待测物质或分子的微液滴的形态在光波导层上制作盲点来实现，本公开实施例包括但不限于此。
例如，在一些示例中，各取光结构120被配置为使光波导层110中单一波长范围的光从光波导层110垂直出射，从而可提高采用该光波导基板的微流控装置的精度。
图2为根据本公开一实施例提供的一种光波导基板的平面示意图。如图2所示，由于不同入光口在第二方向间隔设置，从多个入光口入射的多种波长范围的光中的单一波长范围的光只经过一个取光结构120，从而可保证与多个子入光口一一对应设置的多个取光结构只能取出单一波长范围的光，从而避免其他波长范围的光的串扰。当然，本公开实施例包括但不限于此，从不同入光口入射的单一波长范围的光可相互交叉，只要保证从入光口入射的单一波长范围的传播路径只经过一个取光结构即可。
例如，在一些示例中，如图2所示，光波导层110所在的平面包括第一方向和与第一方向垂直的第二方向，多个入光口112被配置为使光源200发出的多种波长范围的光中的单一波长范围的光射入光波导层110并沿第一方向传播。例如，当多个光源200包括三个光源210、220和230，并且三个光源210、220和230分别发出单一波长范围的光时，多个入光口112可包括第一子入光口1121、第二子入光口1122和第三子入光口1123，第一子入光口1121被配置为使三个光源210、220和230中光源210发出的单一波长范围的光射入光波导层110并沿第一方向传播，第二子入光口1122被配置为使三个光源210、220和230中光源220发出的单一波长范围的光射入光波导层110并沿第一方向传播，第三子入光口1123被配置为使三个光源210、220和230中光源230发出的单一波长范围的光射入光波导层110并沿第一方向传播。如图2所示，多个入光口112在光波导层110上的正投影在第二方向间隔设置，多个取光结构120在光波导层110上的正投影在第二方向间隔设置。
本示例提供的光波导基板通过将多个入光口在光波导层的正投影在第二方向间隔设置，从而可保证在一定的传播的距离内，不同波长范围的光不会互相交叠。因此，与多个入光口一一对应设置的多个取光结构只能取出单一波长范围的光，从而避免其他波长范围的光的串扰。
例如，在一些示例中，如图2所示，对应设置的入光口和取光结构的连线平行于所述第一方向。
例如，在一些示例中，相邻的多个入光口之间的距离大于多个取光结构与入光口在第一方向的最大距离的1/6。由于光源很难发出完全准直的光(准直度为+/-5°)，因此在光的传播过程中，光源发出的不同波长范围的光会在传播到一定距离后交错。通过将相邻的多个入光口之间的距离大于多个取光结构与入光口在第一方向的最大距离的1/6可进一步保证在一定的传播的距离内，不同波长范围的光不会互相交叠。需要说明的是，上述的多个取光结构与入光口在第一方向的最大距离是指多个取光结构中与入光口在第一方向上距离最大的一个与其对应设置的入光口的距离。
例如，光源被一系列出光口径为2mm的抛物面型结构准直，最终准直度为+/-5°时，相邻的多个入光口之间的距离可设置为8mm，多个取光结构中与入光口在第一方向上距离最大的一个与其对应设置的入光口的距离可设置为40mm。
图3为根据本公开一实施例提供的另一种光波导基板的侧面示意图。如图3所示，光波导层110包括层叠设置的多个光波导介质层以及设置在相邻的光波导介质层之间的间隔层117，各光波导介质层的折射率大于空气和间隔层117的折射率，不同光波导介质层的折射率不同，从而可将不同波长范围的光的分配在不同光波导介质层中进行传播，从而可进一步降低不同波长范围的光之间的串扰，进而可进一步提高采用该光波导基板的微流控装置的精度。需要说明的是，上述的将不同波长范围的光的分配在不同光波导介质层中进行传播，包括一个光波导介质层中只有单一波长范围的光的情况，也可包括一个光波导介质层中有几种波长范围的光的情况。
例如，如图3所示，多种波长范围的光包括第一波长范围的光(图3中光源210射出的光为第一波长范围的光)，该光波导层110包括：层叠设置的第一光波导介质层111、间隔层117以及第二光波导介质层112，第一光波导介质层111被配置为使第一波长范围的光在第一光波导介质层111中进行全反射；第二光波导介质层112被配置为使多种波长范围的光中除了第一波长范围的光之外的其他波长范围的光在第二光波导介质层112进行全反射。多个取光结构120包括第一取光结构121，位于第一光波导介质层111的一表面上，并被配置为使第一光波导介质层111中的第一波长范围的光出射。需要说明的是，第一光波导介质和第二光波导介质的厚度和材料可根据实际情况进行设置。
在本示例提供的光波导基板中，第一光波导介质层用于仅使第一波长范围的光在第一光波导介质层中进行全反射，从而将第一波长范围的光的传播介质与多种波长范围的光中的其他波长范围的光区分开来，从而可进一步降低不同波长范围的光之间的串扰，进而可进一步提高采用该光波导基板的微流控装置的精度。
需要说明的是，由于同种介质对波长较小的光的折射率大于波长较大的光的折射率(例如：同种介质对于紫光折射率大于对红光的折射率)，根据全反射的原理，发生全反射的临界角的正弦值等于折射率的倒数，因此波长较小的光的临界角较小，也就是说波长较小的光更容易发生全反射。因此，当第一波长范围的光为波长较大的光时，其发生全反射的临界角较大，从而可通过将第一波长范围的光的入射角设置地较大，使第一波长范围的光能在第一光波导介质层中发生全反射，而多种波长范围的光中的其他波长范围的光的入射角设置地较小，使多种波长范围的光中的其他波长范围的光在第一光波导介质层中不发生全反射。
例如，在一些示例中，如图3所示，多种波长范围的光还包括第二波长范围的光和第三波长范围的光(在图3中，光源220射出的光为第二波长范围的光，光源230射出的光为第三波长范围的光)。多个取光结构120包括第二取光结构122和第三取光结构123，第二取光结构122和第三取光结构123位于第二光波导介质层112的一表面上，第二取光结构122配置为使第二光波导介质层112中的第二波长范围的光出射，第三取光结构123被配置为使第二光波导介质层112中的第三波长范围的光出射。需要说明的是，为了清楚地进行描述，图3所示的侧面同时示出了三种波长范围的光的传播路径，然而三种波长范围的光可不同时出现在该侧面上，而是分布在与该侧面平行，沿垂直于纸面方向与该侧面间隔的不同侧面上。
值得注意的是，由于光源发出的光并非完全准直，也就是说，光源发出的光的入射角不能严格地进行控制，因此本示例提供的光波导基板的平面图可参考图2所示的平面图，从而可保证在一定的传播的距离内，不同波长范围的光不会互相交叠，进而保证各取光结构取出的光为单一波长范围的光。当然，本公开实施例包括但不限于此，若光源发出的光的准直性较好，发射第一波长范围的光的光源210的子第一入光口1121可不用与第二入光口1122和第三入光口1123在第二方向上间隔设置。例如，在一些示例中，多个光波导介质层被配置为使多种波长范围的光中不同的波长范围的光分别在不同的光波导介质层进行全反射传播。也就是说，各光波导介质层中只有单一波长范围的光的情况。
图4为根据本公开一实施例提供的另一种光波导基板的侧面示意图。如图4所示，多种波长范围的光包括第一波长范围的光、第二波长范围的光和第三波长范围的光(在图4中，光源210射出的光为第一波长范围的光，光源220射出的光为第二波长范围的光，光源230射出的光为第三波长范围的光)。光波导层110包括：层叠设置的第一光波导介质层111、间隔层117、第三光波导介质层113、间隔层117和第四光波导介质层114。第一光波导介质层111被配置为使第一波长范围的光在第一光波导介质层111中进行全反射；第三光波导介质层113被配置为使第二波长范围的光在第三光波导介质层113进行全反射；第四光波导介质层114被配置为使第三波长范围的光在第四光波导介质层114进行全反射。多个取光结构120包括第一取光结构121、第二取光结构122和第三取光结构123；第一取光结构121位于第一光波导介质层111远离入光口112的表面上，并被配置为使第一光波导介质层111中的第一波长范围的光出射；第二取光结构122位于第三光波导介质层113远离入光口112的表面上，并被配置为使第三光波导介质层113中的第二波长范围的光出射；第三取光结构123位于第四光波导介质层114远离入光口112的表面上，并被配置为使第四光波导介质层114中的第三波长范围的光出射。同样地，为了清楚地进行描述，图4所示的侧面同时示出了三种波长范围的光，然而三种波长范围的光可不同时出现在该侧面上，而是分布在与该侧面平行，沿垂直于纸面方向与该侧面间隔的不同侧面上。
在本示例提供的光波导基板中，第三光波导介质层用于仅使第二波长范围的光在第三光波导介质层中进行全反射，第四光波导介质层用于仅使第三波长范围的光在第四光波导介质层中进行全反射，从而将第一波长范围的光、第二波长范围的光和第三波长范围的光的传播介质区分开来，使得不同波长范围的光在不同的传播介质(例如不同的光波导介质层)中进行传播，从而可进一步降低不同波长范围的光之间的串扰，进而可进一步提高采用该光波导基板的微流控装置的精度。
需要说明的是，由于同种介质对波长较小的光的折射率大于波长较大的光的折射率(例如：同种介质对于紫光折射率大于对红光的折射率)，根据全反射的原理，发生全反射的临界角的正弦值等于折射率的倒数，因此波长较小的光的临界角较小，也就是说波长较小的光更容易发生全反射。因此，假设相对于第三波长范围的光，第二波长范围的光为波长较大的光时，其发生全反射的临界角较大，从而可通过将第二波长范围的光的入射角设置地较大，使第二波长范围的光能在第三光波导介质层中发生全反射，而第三波长范围的光的入射角设置地较小，使第三波长范围的光在第三光波导介质层中不发生全反射。
值得注意的是，由于光源发出的光并非完全准直，也就是说，光源发出的光的入射角不能严格地进行控制，因此本示例提供的光波导基板的平面图可参考图2所示的平面图，从而可保证在一定的传播的距离内，不同波长范围的光不会互相交叠，进而保证各取光结构取出的光为单一波长范围的光。当然，本公开实施例包括但不限于此，若光源发出的光的准直性较好，子第一入光口1121、第二入光口1122和第三入光口1123可不在第二方向上间隔设置。
例如，如图4所示，第一取光结构121、第二取光结构122和第三取光结构123在第一方向上可依次设置，第一取光结构121与入光口112在第一方向上的距离大于第二取光结构122与入光口112在第一方向上的距离，第二取光结构122与入光口112在第一方向上的距离大于第三取光结构122与入光口112在第一方向上的距离。
例如，光波导层中的各光波导介质层可根据折射率的要求选择氧化铟锡(ITO)、氧化硅、氮化硅、玻璃、或树脂制作。
本公开一实施例提供一种微流控装置。图5A-5C为根据本公开一实施例提供的一种微流控装置的侧面示意图。如图5A所示，该光波探测系统包括上述任一示例提供的光波导基板。由于该光波导基板可在不同的取光结构提供不同的单一波长范围的光，从多个取光结构出射的多种单一波长范围的光可对于多个取光结构一一对应设置的待测物质或分子同时进行标定和检测，从而实现多种物质或分子的快速检测。因而，该微流控装置可高效地、快速地、精确地对多种物质或分子进行检测。并且，由于光波导基板将多个取光结构设置在同一光波导层上，从而有利于微流控装置的微型化和集成化。需要说明的是，图5A中的光波导基板采用了单层结构的光波导层(即图2所示的光波导基板)，但本公开实施例包括但不限于此，该光波探测系统中的光波导基板可采用上述任一示例提供的光波导基板。图5B示出了一种采用了双层结构的光波导基板的微流控装置的侧面示意图；图5C示出了一种采用了三层结构的光波导基板的微流控装置的侧面示意图。
例如，该微流控装置可用于分子诊断、食品检疫、细菌分裂等领域。
例如，在一些示例中，如图5A所示，该微流控装置还包括：多个光源200，被配置为发出多种波长范围的光。多个光源200设置在光波导层110设置有多个入光口112的一侧并被配置为从入光口112发射多种波长范围的光并射入光波导层110。
例如，在一些示例中，光源200可包括三个光源210、220和230，分别发出单一波长范围的光；多个入光口112也可包括三个入光口1121、1122和1123，分别与三个光源210、220和230一一对应设置，三个光源210、220和230发出的光可分别通过三个入光口1121、1122和1123射入光波导层110。具体可参见图2所示的平面图。
需要说明的是，光源210、220或230发出的单一波长范围的光在光波导层中的传播过程中，在光波导层的上、下界面都会产生全反射角。假设光波导层的折射率为n1，光波导层上侧的介质的折射率为n0，光波导层下侧的介质的折射率为n2(例如n2>n0)，此时，光波导层的上、下界面(与光波导层上侧的介质和光波导层下侧的介质接触的面)的全反射角分别为：
θ0＝arcsin(n0/n1)
θ1＝arcsin(n2/n1)
当光源210、220或230发出的单一波长范围的光的入射角θ满足：θ0<θ1<θ<90时，就可在光波导层的上、下界面发生全反射。具体可参见上述实施例的相关描述。
例如，在一些示例中，光源包括单色的半导体激光器芯片，或者准直性比较好的多色的发光二极管(LED)芯片。然而，本公开包括但不限于此，光源也可包括激光器芯片或LED芯片条。需要说明的是，可根据需要在激光器芯片或LED芯片条的出光侧增加一些扩束结构。
例如，在一些示例中，该微流控装置还可包括衬底基板300以及位于衬底基板300和光波导基板110之间的微流通道层400。微流通道层400可包括至少一个微流通道410，多个取光结构120在衬底基板300上的正投影落入微流通道410在衬底基板300上的正投影内。由此，多个取光结构120从光波导基板110取出的多种单一波长范围的光可对微流通道410中的待测物质和分子进行检测。微流通道410为微流体传输的通道，微流通道410的宽度和高度可以是纳米级通道，当然，本公开实施例在此不作限制，微流通道410的宽度和高度也可大于纳米级或小于纳米级，具体大小可根据实际需要进行设计。
例如，微流通道410可以通过光刻、刻蚀的方法做在硅、玻璃或者聚合物(如PDMS或者PMMA)上进行制作。当然，本公开实施例包括但不限于此。
例如，在一些示例中，衬底基板300可采用玻璃基板，由于玻璃基板对于光的吸收较小，从而可降低衬底基板300对于检测的干扰。当然，衬底基板也可采用其他材料制作，例如稳定较好的树脂或者聚酯化合物、纸基材料等。另外，衬底基板300的厚度可根据需要进行选择，本公开实施例在此不作限定。
例如，在一些示例中，微流通道为微流体传输的通道，该通道的宽度和高度可以是纳米级通道，也可以比之大或者小，具体根据实际应用设计，此提案对微流通道大小不做特殊要求。微流通道可以通过光刻、刻蚀的方法做在硅、玻璃或者聚合物(如PDMS或者PMMA)上，也可以在其他材料上，对微流通道的材质和形成不做特殊要求。
例如，在一些示例中，如图5A所示，上述的至少一个微流通道410包括沿多个微流通道，例如：第一微流通道411、第二微流通道412和第三微流通道413；多个入光口112位于光波导基板远离微流通道层400的一侧，微流通道层400包括多个微流通道410，多个取光结构120在衬底基板300上的正投影分别落入多个微流通道在衬底基板300上的正投影内，多个探测器500在衬底基板300上的正投影分别覆盖多个取光结构120在衬底基板300上的正投影，多个探测器500被配置为分别接收从多个取光结构120射出的光。由于从多个取光结构出射的多种单一波长范围的光可对于多个取光结构一一对应设置的待测物质或分子同时进行标定和检测，多个探测器可检测没有通过待测物质或分子和通过待测物质或分子之后的单一波长范围的光的变化(例如：强度的变化)，从而实现多种物质或分子的快速检测。需要说明的是，在本公开实施例中，探测器为光敏探测器。
例如，探测器500可采用电荷耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)、互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)光敏二极管(PIN)等。本公开实施例包括但不限于此。
例如，在一些示例中，如图5A所示，多个取光结构120包括第一取光结构121、第二取光结构122和第三取光结构123，此时探测器500包括与第一取光结构121对应设置的第一探测器510、与第二取光结构122对应设置的第二探测器520和与第三取光结构123对应设置的第三探测器530。
例如，在一些示例中，如图5A所示，该微流控装置还包括保护层600。保护层600位于光波导层110靠近微流通道层400的一侧。保护层00可对多个取光结构120进行保护，防止微流通道410中的液体对取光结构120造成腐蚀。
例如，在一些示例中，如图5A所示，该微流控装置还包括第一疏水层710和第二疏水层720；第一疏水层710位于保护层600远离光波导基板110的一侧；第二疏水层720位于探测器500和衬底基板300靠近微流通道层400的一侧，从而可使微流通410中液体不粘附在微流通道410内。需要说明的是，当包括第一疏水层710和第二疏水层720时，光波导层110的折射率大于第一疏水层710和第二疏水层720的折射率。
例如，疏水层的材料可采用特氟龙-AF，当然，本公开实施例包括但不限于此。
例如，在一些示例中，至少一个微流通道包括沿相互平行设置的多个微流通道。图6为根据本公开一实施例提供的一种微流控装置的平面示意图。如图6所示，当多个取光结构120包括第一取光结构121、第二取光结构122和第三取光结构123时，上述的至少一个微流通道410包括沿第一方向沿伸并相互平行设置的第一微流通道411、第二微流通道412和第三微流通道413。第一取光结构121、第二取光结构122和第三取光结构123与第一微流通道411、第二微流通道412和第三微流通道413一一对应设置。也就是说，第一取光结构121在衬底基板300上的正投影落入第一微流通道411在衬底基板300上的正投影内；第二取光结构122在衬底基板300上的正投影落入第二微流通道412在衬底基板300上的正投影内；第三取光结构123在衬底基板300上的正投影落入第三微流通道413在衬底基板300上的正投影内。从而，从第一取光结构121、第二取光结构122和第三取光结构123出射的多种单一波长范围的光可分别对第一微流通道411、第二微流通道412和第三微流通道413中设置的待测物质或分子进行标定和检测。需要说明的是，第一方向可为微流液体流动的方向。
例如，在一些示例中，微流控装置还包括：至少一个微反应池，位于微流通道层并与微流通道相连通。如图6所示，该微流控装置还包括：至少一个微反应池800，位于微流通道层400并与微流通道410相连通。微反应池800可以对微流体进行物理、化学或生物处理，从而适用于各种检测。当然，若整个检测过程不需要进行物理或化处理，则可不设置微反应池。需要说明的是，微反应池800的材质和微流通道410的材质相同，此时，微反应池800和微流通道410可通过光刻、刻蚀的方法做在硅、玻璃或者聚合物(如PDMS或者PMMA)上同时进行制作。另外，微反应池800的内表面也可进行亲疏水处理，或者涂覆抗反应腐蚀层等处理，本公开实施例包括但不限于此。
例如，在一些示例中，至少一个微反应池还包括多个微反应池，与多个微流通道一一对应设置。图7为根据本公开一实施例提供的另一种微流控装置的平面示意图。如图7所示，至少一个微反应池800还包括：第一微反应池810，与第一微流通道411连通；第二微反应池820，与第二微流通道412连通；以及第三微反应池830，与第三微流通道413连通。第一微反应池810、第二微反应池820和第三微反应池830分别与第一取光结构121、第二取光结构122和第三取光结构123一一对应设置。各微反应池在衬底基板上的正投影位于对应设置的入光口与取光结构之间。例如，第一微反应池810在衬底基板300上的正投影位于对应设置的入光口1121和取光结构123在衬底基板300上的正投影之间。由此，第一微反应池810可进行针对第一微流通道411中的待测物质或分子的物理、化学或生物处理；第二微反应池820可进行针对第二微流通道412中的待测物质或分子的物理、化学或生物处理；第三微反应池830可进行针对第三微流通道413中的待测物质或分子的物理、化学或生物处理。
有以下几点需要说明：
(1)本公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计。
(2)在不冲突的情况下，本公开同一实施例及不同实施例中的特征可以相互组合。
以上，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (18)

1.一种光波导基板，包括：
光波导层，包括设置在所述光波导层一表面上的多个入光口；以及
多个取光结构，
其中，所述多个取光结构在所述光波导层上的正投影间隔设置，所述多个入光口被配置为使多种波长范围的光入射所述光波导层，各所述入光口被配置为使所述多种波长范围的光中的单一波长范围的光射入所述光波导层并进行全反射传输，所述多个取光结构与所述多个入光口一一对应设置，各所述多个取光结构被配置为使对应的所述入光口射入的所述单一波长范围的光从所述光波导层出射。
2.根据权利要求1所述的光波导基板，其中，所述光波导层所在的平面包括第一方向和与所述第一方向垂直的第二方向，所述多个入光口在所述光波导层上的正投影在所述第二方向间隔设置，所述多个取光结构在所述光波导层上的正投影在所述第二方向间隔设置。
3.根据权利要求2所述的光波导基板，其中，对应设置的所述入光口和所述取光结构的连线平行于所述第一方向。
4.根据权利要求3所述的光波导基板，其中，相邻的所述多个入光口之间的距离大于所述多个取光结构与所述入光口在所述第一方向的最大距离的1/6。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的光波导基板，其中，所述多个取光结构设置在所述光波导层与所述入光口相对的表面上。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的光波导基板，其中，所述光波导层包括层叠设置的多个光波导介质层以及设置在相邻的所述光波导介质层之间的间隔层，各所述光波导介质层的折射率大于空气和所述间隔层的折射率，不同所述光波导介质层的折射率不同。
7.根据权利要求6所示的光波导基板，其中，所述多种波长范围的光包括第一波长范围的光，所述多个光波导介质层包括：
第一光波导介质层，被配置为使所述第一波长范围的光在第一光波导介质层进行全反射传播；以及
第二光波导介质层，被配置为使所述多种波长范围的光中除了所述第一波长范围的光之外的其他波长范围的光在第二光波导介质层进行全反射传播，
所述多个取光结构包括第一取光结构，位于所述第一光波导介质层远离所述多个入光口的表面上，并被配置为使所述第一光波导介质层中的所述第一波长范围的光出射；所述多个取光结构中除了所述第一取光结构之外的其他取光结构位于所述第二光波导介质层远离所述入光口的表面上，并被配置为使所述第二光波导介质层中的所述其他波长范围的光出射。
8.根据权利要求6所述的光波导基板，其中，所述多个光波导介质层被配置为使所述多种波长范围的光中不同的波长范围的光分别在不同的所述光波导介质层进行全反射传播。
9.根据权利要求8所述的光波导基板，其中，所述多种波长范围的光包括第一波长范围的光、第二波长范围的光和第三波长范围的光，所述多个光波导介质层包括：
第一光波导介质层，被配置为使所述第一波长范围的光在第一光波导介质层进行全反射传播；
第三光波导介质层，被配置为使所述第二波长范围的光在第二光波导介质层进行全反射传播；以及
第四光波导介质层，被配置为使所述第三波长范围的光在第三光波导介质层进行全反射传播，
所述多个取光结构包括第一取光结构，位于所述第一光波导介质层远离所述多个入光口的表面上，并被配置为使所述第一光波导介质层中的所述第一波长范围的光出射；第二取光结构，位于所述第二光波导介质层远离所述多个入光口的表面上，并被配置为使所述第三光波导介质层中的所述第二波长范围的光出射；以及第三取光结构，位于所述第三光波导介质层远离所述多个入光口的表面上，并被配置为使所述第四光波导介质层中的所述第三波长范围的光出射。
10.根据权利要求9所述的光波导基板，其中，所述多个入光口包括第一入光口、第二入光口和第三入光口，
所述第一入光口和所述第一取光结构沿所述第一方向间隔设置，并被配置为使所述第一波长范围的光射入所述第一光波导介质层，
所述第二入光口和所述第二取光结构沿所述第一方向间隔设置，并被配置为使所述第二波长范围的光射入所述第三光波导介质层，
所述第三入光口和所述第三取光结构沿所述第一方向间隔设置，并被配置为使所述第三波长范围的光射入所述第四光波导介质层。
11.根据权利要求1-4中任一项所述的光波导基板，其中，所述取光结构中的每个包括光栅结构、取光网点、滤波结构和微反射镜中的至少一个。
12.根据权利要求1-4中任一项所述的光波导基板，其中，所述多种波长范围的光中不同的波长范围的光的波长范围不重叠。
13.一种微流控装置，包括根据权利要求1-12中任一项所述的光波导基板。
14.根据权利要求13所述的微流控装置，还包括：
多个光源，设置在所述光波导层设置有所述多个入光口的一侧，
其中，各所述光源被配置为发出单一波长范围的光，所述多个光源与所述多个入光口一一对应设置，各所述入光口被配置为使对应设置的光源发出的所述单一波长范围的光射入所述光波导层。
15.根据权利要求14所述的微流控装置，还包括：
衬底基板；
位于所述衬底基板与所述光波导基板之间的微流通道层；以及
多个探测器，设置在所述衬底基板上，
其中，所述多个入光口位于所述光波导基板远离所述微流通道层的一侧，所述微流通道层包括多个微流通道，所述多个取光结构在所述衬底基板上的正投影分别落入所述多个微流通道在所述衬底基板上的正投影内，所述多个探测器在所述衬底基板上的正投影分别覆盖所述多个取光结构在所述衬底基板上的正投影，所述多个探测器被配置为分别接收从所述多个取光结构射出的光。
16.根据权利要求15所述的微流控装置，还包括：
保护层，位于所述光波导层靠近所述微流通道层的一侧。
17.根据权利要求16所述的微流控装置，还包括：
第一疏水层，位于所述保护层远离所述光波导基板的一侧；以及
第二疏水层，位于所述探测器和所述衬底基板靠近所述微流通道层的一侧。
18.根据权利要求15所述的微流控装置，还包括：
多个微反应池，与所述多个微流通道一一对应设置并与对应设置的所述微流通道相连通，
其中，各所述微反应池在所述衬底基板上的正投影位于对应设置的所述入光口与所述取光结构之间。
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