CN110836853A - 一种微流控芯片、微流控测试系统和微流控测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微流控芯片、微流控测试系统和微流控测试方法，通过依次相连的进样通道、光纤通道、出样通道，光纤通道连通于进样通道和出样通道之间，并设置有至少一个进样口、一个出样口，光纤通道设置有锥形光纤，流体通过进样口进入并与光纤接触，锥形光纤包括锥形区和尾纤；锥形区刻写有光纤光栅，锥形区长度小于光纤通道长度。光波输入锥形光纤，通过锥形区的光纤光栅消逝场与流体发生光的作用与耦合，利用光纤光栅将光信号进行反射。信号在一根光纤上传输，光路更为稳定；同时光信号两次经过锥形区，使得光与流体的作用更为充分，提高检测的效率，且锥形光纤的反射光谱具有较大带宽，可以配合波分复用器，从而实现多种流体的同步测量。

Description

一种微流控芯片、微流控测试系统和微流控测试方法

技术领域

本发明涉及微流控技术领域，具体涉及一种微流控芯片、微流控测试系统和微流控测试方法。

背景技术

微流控是目前信息技术与生物检测中非常重要的一个结合点，具有非常大的应用价值和前景。基本特点是多种单元技术在微小平台上的灵活组合和规模集成，目前的发展趋势是微流控芯片集成的单元部件越来越多，且集成的规模越来越大。所涉及到的部件包括用于流体控制的微阀、微泵，进一步还包括微混合器、微反应器、微分离器和微检测器等。这样一种高度集成的微流控芯片设备，具有物料耗量低，运行时间短，价格低廉，使用安全，通量高，污染小等特点，形成了微技术领域的一种固有优势。把各种基本操作单元反应、分离、检测功能等集成到一个只有几平方厘米的芯片上，微流控芯片利用微纳加工方法把微纳米尺度的流道制作在光学材料上、将光学材料与玻璃基板键合形成的内有流道的结构，可在微纳米尺度里对流体进行操控。微流控芯片荧光检测系统通过采用泵和阀等液流控制技术，可把微量的待检测流体注入到微流控芯片中，利用光诱导荧光、化学发光和生物化学等手段，可对待检测流体的生物和化学参数进行检测。

现有的微流控芯片是将光纤嵌入光纤通道后，将光纤嵌入光纤通道部分进行拉伸，未拉伸部分的两端作为标准光纤与外部光源和检测器集成，中间拉伸部分即为微纳光纤，由于拉伸部分直径接近甚至小于其传导光的波长，且由于拉伸部分直径较小被整体包埋在微流控芯片中，导致检测分辨识别率低，清晰度低，普通光纤光栅的带宽都相对较窄，光被磁场调制后能量只在较小的波长范围中存在；且普通光纤光栅的消逝场很小，与流体的相互作用能量小。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种微流控芯片、微流控测试系统和微流控测试方法，以解决现有技术的微流控芯片中嵌入光纤通道的光纤直径小，被整体包埋在微流控芯片中，检测分辨识别率低，清晰度低的问题。

为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种微流控芯片，包括：依次相连接的进样通道、光纤通道、出样通道，所述光纤通道连通于所述进样通道和所述出样通道之间，所述进样通道上部设置有至少一个进样口、所述出样通道设置有出样口，所述光纤通道设置有锥形光纤，所述进样口用于将流体导入所述光纤通道内以使所述流体与所述锥形光纤接触，所述锥形光纤包括锥形区和尾纤；所述锥形区刻写有光纤光栅，所述锥形光纤的锥形区长度小于所述光纤通道的长度，刻写有所述光纤光栅的锥形区置于所述光纤通道内。

进一步的，所述锥形光纤由光纤的一端经预设加热或电弧放电处理方法拉制为锥形而成。

进一步的，所述光纤为单模光纤、多模光纤或者特种光纤。

进一步的，所述进样通道与所述锥形光纤连通之间用密封胶密封；且所述锥形光纤的锥形区不与所述光纤通道壁接触。

进一步的，所述锥形光纤的锥形区长度为0.5毫米到100毫米。

进一步的，所述锥形光纤的锥形区采用紫外掩膜版法或飞秒激光刻蚀法刻写所述光纤光栅。

一种微流控测试系统，包括：测量装置和微流控芯片组件，所述微流控芯片组件包括固定组件和至少一个如上述任一项所述的微流控芯片，所述固定组件用于将多个所述微流控芯片固定，所述测量装置包括光源、波分复用器、至少一个光纤环形器和光学计量仪器，所述光源为所述波分复用器提供宽带光源，每个所述光纤环形器的第一端连接所述波分复用器的输出端口，所述光纤环形器的第二端外接所述微流控芯片的所述锥形光纤的尾纤，所述光纤环形器的第三端设置有所述光学计量仪器；所述微流控芯片用于通入待检测流体；

所述波分复用器，用于将所述宽带光源分离为预设波长的光信号，所述光信号经所述光纤环形器的第一端接收，并通过所述光纤环形器的第二端输入至所述微流控芯片的锥形光纤，所述光信号经所述锥形光纤射入到所述待检测流体后，经所述锥形光纤的光纤光栅反射回所述锥形光纤的尾纤，再通过所述光纤环形器的第三端将反射光信号传输至所述光学计量仪器，所述光学计量仪器接收所述反射光信号。

进一步的，所述光学计量仪器为光纤光谱仪、光电探测器、光电转换器或者光功率计。

一种微流控测试方法，包括:将宽带光源分离为预设波长的光信号，所述光信号经光纤环形器传输至微流控芯片，所述微流控芯片内设置有锥形光纤；

所述光信号经所述锥形光纤的尾纤射入到待检测流体，所述锥形光纤上刻有光纤光栅；

所述光信号经所述光纤光栅反射得到反射光信号；

所述反射光信号经所述锥形光纤的尾纤射出所述锥形光纤，并通过所述光纤环形器传输至光学计量仪器进行观测。

本申请提供的技术方案可以包括以下有益效果：

通过依次相连接的进样通道、光纤通道、出样通道，光纤通道连通于进样通道和出样通道之间，并设置有至少一个进样口、一个出样口，光纤通道设置有锥形光纤，流体通过进样口进入并与光纤接触，锥形光纤包括锥形区和尾纤；锥形区刻写有光纤光栅，锥形区长度小于光纤通道长度。光波输入锥形光纤，通过锥形光纤的锥形区的强消逝场与流体发生光的作用与耦合，利用光纤光栅将光信号进行反射。信号在一根光纤上传输，光路更为稳定；同时光信号两次经过锥形光纤，使得光与流体的作用更为充分，提高了检测的效率。且锥形光纤的光纤光栅具有较大的带宽，可以配合波分复用器，满足多种流体、多个通道的测量波长的需要，从而实现多种待检测流体的同步测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一提供的微流控芯片的一种结构示意图；

图2是本发明实施例二提供的微流控测试系统的一种结构示意图；

图3是本发明实施例二提供的微流控测试系统的另一种结构示意图；

图4是本发明实施例三提供的微流控测试方法的一种结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

实施例一

图1是本发明实施例一提供的微流控芯片的一种结构示意图。

如图1所示，本实施例包括：

一种微流控芯片，包括：依次相连接的进样通道11、光纤通道12、出样通道13，光纤通道12连通于进样通道11和出样通道13之间，进样通道11上部设置有至少一个进样口、出样通道13设置有出样口，光纤通道12设置有锥形光纤16，进样口用于将流体导入光纤通道12内以使流体与锥形光纤16接触，锥形光纤16包括锥形区和尾纤；锥形区刻写有光纤光栅，锥形光纤16的锥形区长度小于光纤通道12的长度，刻写有光纤光栅的锥形区置于光纤通道12内。

进一步的，进样通道11与锥形光纤16连通之间用密封胶密封，以保持锥形光纤16的固定；且锥形光纤16的锥形区不与光纤通道壁接触，以保持光与流体的充分作用和流体流动的密闭性。

进一步的，锥形光纤16的锥形区长度为0.5毫米到100毫米。

进一步的，锥形光纤16由光纤的一端经预设加热或电弧放电处理方法拉制为锥形而成，另一端保留尾纤，从而得到锥形光纤16。预设加热可以为火焰加热，也可以为其他方法的加热。尾纤用于与其他光子器件相连，例如尾纤可以通过光纤环形器接收或输出光波。锥形区刻写有光纤光栅，光纤光栅携带有较强的消逝场和大宽带的反射光谱。光纤光栅的较强消逝场可以很好地感知外界环境的变化，大宽带的反射光谱可以反射较宽光频的光波，满足多种流体测量光波的需要。

光纤光栅是指在光纤上制备周期性折射率变化的光学结构，本发明是在锥形光纤的锥形区上采用紫外掩膜版法或飞秒激光刻蚀法，紫外光或者飞秒激光在掩膜版的作用下，致使锥形光纤的锥形区发生折射率的周期变化，从而在锥形光纤的锥形区获得光纤光栅；光纤光栅的光学性质可以由曝光时间、掩膜版周期、长度等进行改变和控制。

消逝场是光纤内传输的光波发生泄漏，锥形光纤由于结构发生变化，从而导致锥形光纤的锥形区存在泄露模，泄漏到外界的光波称为消逝场。当流体处在消逝场的位置，会与泄露的光波发生作用，从而改变光波的传输模式。具体的，光波的传输模式可以包括强度、偏振态以及相位，而发生变化的传输模式可以是上述一种或任意组合。被改变传输模式的光波经过光纤光栅的反射，经锥形光纤的尾端可以输出至光学计量仪器，通过光学计量仪器对反射光波的传输模式进行分析，从而获得流体的信息。

光纤可以是单模光纤，多模光纤或特种光纤。模指的是模式，光纤的模式是能在光纤中传输的光的传输模式，每一个模式是满足波动方程亥姆霍兹方程的一个解，单模指的是一种传输模式，多模指的是能够传输多种模式，特种光纤指的是特种材质或者特种结构的用于光纤通讯的光纤。

本实施例通过依次相连接的进样通道、光纤通道、出样通道，光纤通道连通于进样通道和出样通道之间，并设置有至少一个进样口、一个出样口，光纤通道设置有锥形光纤，流体通过进样口进入并与光纤接触，锥形光纤包括锥形区和尾纤；锥形区刻写有光纤光栅，锥形区长度小于光纤通道长度。光波输入锥形光纤，通过锥形光纤的锥形区的较强的消逝场与流体发生光的作用与耦合，利用光纤光栅将光信号进行反射。信号在一根光纤上传输，光路更为稳定；同时光信号两次经过锥形区，使得光与流体的作用更为充分，提高了检测的效率。且锥形光纤锥形区的光纤光栅具有较大的带宽，可以配合波分复用器，从而实现多种待检测流体的同步测量。

实施例二

图2是实施例二提供的微流控测试系统的一种结构示意图，如图2所示，包括：测量装置和微流控芯片组件21，微流控芯片组件21包括固定组件和至少一个微流控芯片211，固定组件用于将多个微流控芯片211固定，该微流控芯片211可以为实施例一中的任一项微流控芯片。图2中以包括4个微流控芯片211为例，但本申请实施例不对微流控芯片的数量进行限制。测量装置包括光源22、波分复用器23、至少一个光纤环形器24和光学计量仪器25，光源22为波分复用器23提供宽带光源，每个光纤环形器24的第一端连接波分复用器23的输出端口，光纤环形器24的第二端外接微流控芯片211的锥形光纤的尾纤，光纤环形器24的第三端设置有光学计量仪器25。

微流控芯片211用于通入待检测流体。

波分复用器23，用于将宽带光源分离为预设波长的光信号，光信号经所述光纤环形器的第一端接收，通过光纤环形器24的第二端输入至微流控芯片211的锥形光纤，光信号经锥形光纤2111射入到待检测流体，经锥形光纤2111的光纤光栅反射回锥形光纤2111的尾纤，再通过光纤环形器24的第三端将反射光信号传输至光学计量仪器25，光学计量仪器25接收反射光信号。

宽带光源是一种宽频段、低偏振度的高功率稳定光源。其中光源也可以为可以提供宽带光波的激光器。

例如，对NADH(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸)的还原型辅酶Ⅰ与PNP(碱性磷酸酶)检测试剂进行还原检测，其中PNP检测试剂在光波为405纳米处可检测到最大吸收峰，在碱性环境下呈黄色产物，产物黄色越深，说明活性越高，反之则活性越低。NADH是一种还原型辅酶，NADH在光波为340纳米和在405纳米时的吸光度最大，进行酶促还原反应的活性最大。通过提供340纳米的光信号和405纳米的光信号，来跟踪NADH的酶促反应，并通过PNP检测试剂的反应颜色来观察NADH还原型辅酶的活性，340纳米的光波用于照射NADH，405纳米的光波用于照射PNP检测试剂。

图3是微流控测试系统的另一种结构示意图，根据图3所示的结构示意图可以清楚的看到微流控测试系统中光线的检测过程，如图3所示，通过光源221提供预设工作波长的光波，例如，预设工作波长的光波中包括340纳米和405纳米的两个预设工作波长的复合光信号，波分复用器23将复合光信号中的两个预设光波进行分离，分离后得到340纳米和405纳米的两个光信号，波分复用器23的输入端将340纳米和405纳米的两个光信号分别传输至光纤环形器24的第一端，光信号经光纤环形器24的第二端沿预设的轨迹通入锥形光纤2111的尾纤，通过微流控芯片211的进样口将NADH还原型辅酶和PNP检测试剂两种待检测流体导入到光纤通道内，以使流体与锥形光纤2111接触，两种待检测流体因为锥形光纤2111的光纤光栅的较强的消逝场与待检测流体发生光的作用与耦合，利用光纤光栅将光信号进行反射，经光纤环形器24的第三端将反射光信号传输至光学计量仪器25，反射光信号经光学计量仪器25接收，从而检查待测物质的成分。光信号在一根光纤上传输，使得光路更为稳定，同时光信号两次经过锥形区，使得光与流体的作用更为充分。此外，还可以设置多个微流控芯片211与对应的光纤环形器24相连，配合波分复用器23，从而实现对多个待检测流体的同步测量。

进一步的，光学计量仪器25为光纤光谱仪、光电探测器、光电转换器或者光功率计，具体的光学计量仪器25的型号不进行限定，只要能够实现光线探测和光学计量功能的仪器均可。

本实施例微流控芯片的锥形光纤将光波输送至光纤通道，通过锥形光纤的光纤光栅的较强的消逝场与流体发生光的作用与耦合，利用光纤光栅将光信号进行反射。信号在一根光纤上传输，光路更为稳定；同时光信号两次经过锥形区，使得光与流体的作用更为充分，提高了检测的效率。且锥形光纤的光纤光栅具有较大的带宽，可以配合波分复用器，满足多种流体、多个通道的测量波长的需要，从而实现多个待检测流体的同步测量。

实施例三

图4是微流控测试方法的一种结构示意图，如图4所示，本实施例包括:

S311、将宽带光源分离为预设波长的光信号，光信号经光纤环形器传输至微流控芯片，微流控芯片内设置有锥形光纤。

S312、光信号经锥形光纤的尾纤射入到待检测流体，锥形光纤上刻有光纤光栅。

S313、光信号经光纤光栅反射得到反射光信号。

S314、反射光信号经锥形光纤的尾纤射出锥形光纤，并通过光纤环形器传输至光学计量仪器进行观测。

进一步的，微流控芯片包括依次相连接的进样通道、光纤通道、出样通道，光纤通道连通于进样通道和出样通道之间，进样通道上部设置有至少一个进样口、出样通道设置有出样口，进一步的，锥形光纤设置于光纤通道内，进样口用于将流体导入光纤通道内以使流体与锥形光纤接触，锥形光纤包括锥形区和尾纤；锥形区刻写有光纤光栅，锥形光纤的锥形区长度小于光纤通道的长度。

进一步的，锥形光纤由光纤的一端经预设加热或电弧放电处理方法拉制为锥形而成。光纤可以为单模光纤、多模光纤或者特种光纤。

进一步的，进样通道与锥形光纤连通之间用密封胶密封；且锥形光纤的锥形区不与光纤通道壁接触。

进一步的，锥形光纤的锥形区长度为0.5毫米到100毫米。

进一步的，锥形光纤的锥形区采用紫外掩膜版法或飞秒激光刻蚀法刻写光纤光栅。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种微流控芯片，包括：依次相连接的进样通道、光纤通道、出样通道，所述光纤通道连通于所述进样通道和所述出样通道之间，所述进样通道上部设置有至少一个进样口、所述出样通道设置有出样口，其特征在于，所述光纤通道设置有锥形光纤，所述进样口用于将流体导入所述光纤通道内以使所述流体与所述锥形光纤接触，所述锥形光纤包括锥形区和尾纤；所述锥形区刻写有光纤光栅，所述锥形光纤的锥形区长度小于所述光纤通道的长度，刻写有所述光纤光栅的锥形区置于所述光纤通道内。

2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述锥形光纤由光纤的一端经预设加热或电弧放电处理方法拉制为锥形而成。

3.根据权利要求2所述的微流控芯片，其特征在于，所述光纤为单模光纤、多模光纤或者特种光纤。

4.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述进样通道与所述锥形光纤连通之间用密封胶密封；且所述锥形光纤的锥形区不与所述光纤通道壁接触。

5.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述锥形光纤的锥形区长度为0.5毫米到100毫米。

6.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述锥形光纤的锥形区采用紫外掩膜版法或飞秒激光刻蚀法刻写所述光纤光栅。

7.一种微流控测试系统，其特征在于，包括：测量装置和微流控芯片组件，所述微流控芯片组件包括固定组件和至少一个如权利要求1-6中任一项所述的微流控芯片，所述固定组件用于将多个所述微流控芯片固定，所述测量装置包括光源、波分复用器、至少一个光纤环形器和光学计量仪器，所述光源为所述波分复用器提供宽带光源，每个所述光纤环形器的第一端连接所述波分复用器的输出端口，所述光纤环形器的第二端外接所述微流控芯片的所述锥形光纤的尾纤，所述光纤环形器的第三端设置有所述光学计量仪器；

所述微流控芯片用于通入待检测流体；

所述波分复用器，用于将所述宽带光源分离为预设波长的光信号，所述光信号经所述光纤环形器的第一端接收，并通过所述光纤环形器的第二端输入至所述微流控芯片的锥形光纤，所述光信号经所述锥形光纤射入到所述待检测流体后，经所述锥形光纤的光纤光栅反射回所述锥形光纤的尾纤，再通过所述光纤环形器的第三端将反射光信号传输至所述光学计量仪器，所述光学计量仪器接收所述反射光信号。

8.根据权利要求7所述的微流控测试系统，其特征在于，所述光学计量仪器为光纤光谱仪、光电探测器、光电转换器或者光功率计。

9.一种微流控测试方法，其特征在于，包括:

将宽带光源分离为预设波长的光信号，所述光信号经光纤环形器传输至微流控芯片，所述微流控芯片内设置有锥形光纤；

所述光信号经所述锥形光纤的尾纤射入到待检测流体，所述锥形光纤上刻有光纤光栅；

所述光信号经所述光纤光栅反射得到反射光信号；

所述反射光信号经所述锥形光纤的尾纤射出所述锥形光纤，并通过所述光纤环形器传输至光学计量仪器进行观测。

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