CN112362617A - 一种大检测范围多通道光纤spr微流芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤传感领域，具体涉及一种大检测范围多通道光纤SPR微流芯片，包括顺次连接的半球体三芯光纤端面区、半球体三芯光纤SPR传感区、光纤SPR微流芯片和球状塑料包层光纤SPR传感区；其中，所述半球体三芯光纤端面区由三芯光纤一端面经过多次放电熔球，再端面研磨制成，所述半球体三芯光纤SPR传感区和球状塑料包层光纤SPR传感区分别焊接于光纤SPR微流芯片两侧，所述半球体三芯光纤SPR传感区和球状塑料包层光纤SPR传感区，经放电加热熔融，再施加推力成球，采用本发明技术方案的多通道光纤SPR微流芯片，可以方便的控制全反射角，以改变SPR共振波长的工作范围，实现大检测范围检测。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感领域，具体涉及一种大检测范围多通道光纤SPR微流芯片。
背景技术
光纤表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)传感器已被越来越广泛地用于生物分子相互作用，化学和生物分析物反应等检测。SPR的机理为：当入射光的角度或波长满足某一特定值时，入射光的大部分能量转换成表面等离子体波的能量，反射光能量突然下降，在反射谱上出现共振吸收峰，此时入射角的角度或波长称为SPR共振角度或共振波长，通过准确测量此共振角或共振波长变化，即可得到金属薄膜表面侧物质的折射率变化，而共振角(波长)对金属侧面物质的折射率变化非常敏感，所以光纤SPR传感器具有很高的折射率测量灵敏度。
微流控技术是在微器件和材料加工的基础上发展而来的，在包括医药学、环境保护、生化技术等众多的领域中都得到了很好的应用。微流控技术(Microfluidics)指的是使用微管道(尺寸为数十到数百微米)处理或操纵微小流体(体积为纳升到阿升)的系统。这种微流控系统具有超高的灵敏度、更高的分辨率以及更低的消耗率等优点。
近些年来，随着光纤SPR传感器的不断发展，在众多领域的实验和工业应用中，都显现出了对检测仪器更加微型化、更低的消耗率以及更大检测范围的迫切需求。为了提高SPR的检测效率，将微流控技术与光纤SPR传感器相结合，使得光纤SPR微流芯片同时具有微流控技术和SPR传感机理的某些重要特性，基于微型化，能够对小剂量液体进行快速检测，缩短反应时间，提高检测效率，而且制作成本更加低廉，这使得光纤SPR微流芯片有着更广泛的应用，目前微流控技术与光纤SPR传感器的结合主要面临着检测范围受限的问题，具体来说由于SPR共振波长与全反射角度相关，为改变SPR共振波长的工作范围，通常需要弯曲侧抛光纤以满足SPR共振角度，由于光纤尺寸的特性，不仅使得加工复杂困难，而且能够改变的角度也比较有限；此外现有的微流控芯片由于结构的特性，通常仅能测量高折射率液体或低折射液体，难以同时适应不同折射率的液体，检测的范围有待进一步的提高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种光纤SPR微流芯片，以便于加工成型，同时更方便的控制全反射角，以改变SPR共振波长的工作范围，实现大检测范围检测。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种大检测范围多通道光纤SPR微流芯片，包括半球体三芯光纤端面区及依次的半球体三芯光纤SPR传感区、光纤SPR微流芯片和球状塑料包层光纤SPR传感区，半球体三芯光纤端面区为三芯光纤一端面经过多次放电熔球，再端面研磨制成，其右侧连接半球状三芯光纤SPR传感区，半球体三芯光纤SPR传感区和球状塑料包层光纤SPR传感区分别焊接于光纤SPR微流芯片两侧，构造的半球体SPR传感区和球体SPR传感区，经放电加热熔融，再施加推力成球，纤芯纵向直径增大后，更易于侧抛裸露纤芯，传感光线在球体处的全反射角发生变化，不用弯曲侧抛光纤即可满足SPR共振角度，且SPR共振波长与全反射角度相关，通过控制球体的纵向直径来控制全反射角，改变SPR共振波长的工作范围，可实现基于波分复用的多通道折射率检测；本发明的光纤SPR微流芯片处，可将光分别从三芯光纤的三个纤芯注入不同波导(高折射率液体、纤芯、包层)中，通过更换微流通道中腔体内的液体折射率，实现待测液体折射率或波导折射率的改变，而SPR共振波长与波导折射率和待测液体折射率差相关，可方便的实现多通道宽范围折射率的液体检测，待测液体量皮升量级即可检测。
进一步，所述半球体三芯光纤端面区为包层直径125μm、三个纤芯直径均9μm的三芯光纤一端经过放电熔球再研磨制成包层纵向直径为200μm、纤芯纵向直径为18μm的半球体光纤端面，直径增大后的半球体纤芯端面，可耦合进更多来自空间中的光源，从而提高注光耦合效率，达到光纤扩束作用。
进一步，所述半球体三芯光纤SPR传感区由下边芯裸露的半球体三芯光纤及包覆在下边芯裸露一侧平面的金属膜组成，其中下边芯裸露的半球体三芯光纤为三芯光纤非端面部位放电熔球，三芯光纤的三个纤芯受热膨胀直径增大，使得边芯更接近包层外表面，为构造Kretschmann结构，利用光纤侧面抛磨和抛光至下边纤芯裸露，再在裸露的纤芯表平面镀制50nm金膜得到金属膜，而传感光线在球体处的全反射角会发生变化，即不用弯曲侧抛光纤就可满足SPR共振角度。
进一步，所述光纤SPR微流芯片由内直径126μm、外直径500μm的四通管道、D形光纤SPR传感区以及由四通管道内壁和D形光纤SPR传感区形成的腔体组成，D形光纤SPR传感区一端与半球体三芯光纤SPR传感区右端正对熔接，另一端与球状塑料包层光纤SPR传感区左端相连，并封装入四通管道；当传感光信号分别从三芯光纤的三个纤芯入射至光纤SPR微流芯片的腔体和D形光纤SPR传感区中，分别以腔体中的液体和D形光纤SPR传感区的纤芯以及包层作为波导传感光信号，由于D形光纤SPR传感区的纤芯折射率及包层折射率固定，通过更换腔体中液体折射率，可改变待测液体折射率和波导折射率之间的差值，而SPR共振波长与波导折射率和待测液体折射率差相关，即本发明的光纤SPR微流芯片处可实现多通道宽范围折射率的液体检测，待测液体量皮升量级即可检测。
进一步，所述球状塑料包层光纤SPR传感区为球状塑料包层光纤纤芯和包覆在球状纤芯表面的50nm环形金膜组成，其中，球状塑料包层光纤纤芯球状部位纵向直径200μm。
进一步，所述半球状三芯光纤SPR传感区和球状塑料包层光纤SPR传感区的球状部位纤芯纵向直径大小不同，其中半球状三芯光纤下边纤芯纵向直径为18μm、球状塑料包层光纤纤芯纵向直径为200μm，传感光线在球体内侧的全反射角度会发生变化，而SPR共振波长与全反射角度相关，通过控制球体的纵向直径来控制全反射角，从而改变SPR共振波长的工作范围，将半球状三芯光纤SPR传感区和球状塑料包层光纤SPR传感区级联，即可实现基于波分复用的多通道折射率同时检测。
本发明的有益效果在于：1，通过光纤微加工将三芯光纤和塑料包层光纤非端面位置熔制成球，增大纤芯纵向直径，更易于侧抛裸露纤芯，传感光线在球体处的全反射角发生变化，不用弯曲侧抛光纤即可满足SPR共振角度，且SPR共振波长与全反射角度相关，通过控制球体的纵向直径来控制全反射角，改变SPR共振波长的工作范围，可实现基于波分复用的多通道折射率检测；2，光纤SPR微流芯片处，可将光分别从三芯光纤的三个纤芯注入不同波导(高折射率液体、纤芯、包层)中，通过更换微流通道中腔体内的液体折射率，实现待测液体折射率或波导折射率的改变，而SPR共振波长与波导折射率和待测液体折射率差相关，可方便的实现多通道宽范围折射率的液体检测，待测液体量皮升量级即可检测。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明中涉及的一种大检测范围多通道光纤SPR微流芯片的整体结构示意图；
图2为封装后的光纤SPR微流芯片的结构示意图；
图3为本发明中涉及的四通管道的结构示意图；
图4为本发明中涉及的D形光纤SPR传感区的结构示意图；
图5为通过三芯光纤上边纤芯注光的光线传输路径示意图；
图6为通过三芯光纤中间纤芯注光的光线传输路径示意图；
图7为通过三芯光纤下边纤芯注光的光线传输路径示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对法明年的优选实施例进行详细的描述。
一种大检测范围多通道光纤SPR微流芯片的制作方法，包括以下步骤：
制备如图1中AA’所示的半球体三芯光纤端面区1，首先取一段三芯光纤，机械剥除光纤左端涂覆层，并将其端面切割平整，然后将三芯光纤左端穿过光纤端面研磨机内直径为200μm的裸光纤适配器夹具中，并把延长出来的光纤端面放入光纤端面成球机中多次放电熔融，将光纤端面加工至直径为200μm的球体，最后把球状光纤拽回至适配器插口处，往插孔中注入液态石蜡，做降温处理，固定住三芯光纤，经过研磨和抛光，将球状光纤端面研磨至半球体，加热石蜡，取出光纤。
制备如图1中BB’所示的半球体三芯光纤SPR传感区2的探针，将经过左端面加工成半球状的三芯光纤，机械剥除其中间一段长1cm的涂覆层，将其放入开放成球功能的光纤熔接机中，经过多次放电加热熔融，再施加一定推力，将三芯光纤中间部位加工成球体，然后将中间部位加工成球体的三芯光纤两端固定在研磨轮两边顶柱的旋转夹具上，把光纤绷紧，使球体处位于侧抛研磨轮正上方，并在中间成球处滴加香柏油，然后从侧面加载显微镜的CCD摄像机中观察三芯光纤的三个纤芯，调节旋转夹具使其三个纤芯处于同一平面，最后启动侧抛机，设置侧抛长度为0.5cm，对中间球体进行抛磨和抛光，直到侧抛至下边芯裸露的半球体光纤2-1，最后再将半球状光纤2-1用无痕胶固定在石英载玻片上，半球状纤芯平面朝上，将其放置在直流等离子溅射仪或者磁控溅射仪金属靶材正下方，镀制50nm厚度的金膜2-2；
制备图4所示光纤SPR微流芯片3的探针，取一段少模单芯光纤，首先机械剥除其中间一段长3cm的涂覆层，侧抛方法同侧抛三芯光纤中间球体类似，设置侧抛长度2cm，最后侧抛至光纤呈D形使纤芯裸露，然后再对D形光纤端面进行切平处理，即在D形光纤侧抛位置的左端用宝石刻刀刻画一圈，然后给刻痕位置施加一个垂直的机械力，将刻痕处整齐断开，之后将D形光纤左端和三芯光纤右端熔接，即取出保偏熔接机的夹具，分别将D形光纤和三芯光纤右端面放入夹具的V槽中夹紧，再将三芯光纤放在显微镜下，并转动光纤，将三芯光纤的三个纤芯调整到处于同一竖直平面上，再分别将两个夹具按回保偏熔接机中，启动熔接机，推进光纤，对准光纤，转动D形光纤使之从显示屏上观察到的侧面宽度最窄，再经过多次微小放电熔融，将两光纤熔接，之后再将D形光纤右端和塑料包层多模光纤左端熔接，即取一小段塑料包层多模光纤，机械剥除去全部涂覆层和包层，将其左端面切平，再对D形光纤侧抛位置的右端同样进行切平处理。将两根光纤放入保偏熔接机中，启动熔接机，推进光纤，对齐光纤，并使D形光纤的下边线对齐塑料包层光纤的下边线，经过多次微小放电熔融，将两根光纤熔接上，最后将探针的D形光纤部分用无痕胶固定在玻璃片上，D形光纤的D形纤芯平面朝上，将其放置在直流等离子溅射仪或者磁控溅射仪金属靶材正下方，镀制50nm厚度的金膜3-2-3；。
将D形光纤SPR传感探针3-2封装成如图2所示的光纤SPR微流芯片3，取一个长2cm，内直径为125μm的石英四通管道3-1，将镀制完金膜的微流芯片探针从左至右穿过管道3-1-3，并控制镀制金膜的D形光纤部位位于管道3-1-3中间位置，最后将四通管道的左右两端分别与三芯光纤和塑料包层多模光纤的开口处用紫外固化胶密封，构成光纤SPR微流芯片3；
制备图1中CC’所示的球状塑料包层光纤SPR传感区4的探针，取一段长为50cm的塑料包层多模光纤，机械剥除光纤中间部分一段长0.5cm和两端长1cm的塑料包层和涂覆层，将塑料包层多模光纤左端和S4中探针右端的塑料包层光纤放入普通光纤熔接机中熔接，然后将裸露的光纤中间部位放入开放成球功能的光纤熔接机中，经过多次放电熔融，将其加工至直径为200μm的球体4-1，再将球状光纤部位的两端分别固定在旋转镀膜夹具的两边，仅使球状光纤部位曝露在直流等离子溅射仪或磁控溅射仪金属靶材正下方，镀制50nm环形包覆在球状光纤表面的金膜4-2。
如图5所示，当光信号从所述半球体三芯光纤端面区1的上边芯1-1入射，光信号经由上边芯1-1传输到腔体3-3的高折射率液体中，以高折射率液体作为波导传感光信号，高折射率液体从进水口3-1-1注入，检测完的高折射率液体从出水口3-1-2排除，由于SPR共振波长与波导折射率相关，随着波导的折射率变化，SPR共振波长会随之发生漂移，通过SPR共振波长可以实现对高折射率液体的皮升量级检测；
如图6所示，当光信号从所述半球体三芯光纤端面区1的中间芯1-2入射，光信号经由中间芯1-2传输到D形光纤SPR传感区3-2的纤芯3-2-1中，以D形光纤SPR传感区3-2的纤芯3-2-1作为波导传感光信号，腔体3-3中的外界液体从进水口3-1-1注入，检测完的外界液体从出水口3-1-2排除，由于SPR共振波长与外界液体折射率相关，随着外界液体折射率变化，SPR共振波长会随之发生漂移，通过SPR共振波长可以实现对外界液体折射率的皮升量级检测；
如图7所示，当光信号从所述半球体三芯光纤端面区1的下边芯1-3入射，并将半球体三芯光纤SPR传感区2和球状塑料包层光纤SPR传感区4浸入不同折射率的外界待测液体中，光信号在所述半球体三芯光纤SPR传感区2和所述球状塑料包层光纤SPR传感区4传感，而传感光信号在球体部分内侧全反射角发生变化，而SPR共振波长与全反射角度相关，随着球体部分纤芯纵向直径不同，可控制全反射角改变，从而SPR共振波长的工作范围不同，级联的所述半球体三芯光纤SPR传感区2和所述球状塑料包层光纤SPR传感区4，即可实现基于波分复用的多通道折射率检测。
本文所用金属膜和环形金膜可以为金、银或铜膜。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (8)
1.一种大检测范围多通道光纤SPR微流芯片，其特征在于：包括有半球体三芯光纤端面区(1)、半球体三芯光纤SPR传感区(2)、光纤SPR微流芯片(3)和球状塑料包层光纤SPR传感区(4)；
其中，所述半球体三芯光纤端面区(1)和半球体三芯光纤SPR传感区(2)由同一根三芯光纤加工而成，该三芯光纤包括上边芯、中间芯和下边芯，三芯光纤一端面经放电熔球和端面研磨至半球形成半球体三芯光纤端面区(1)，该端面与三芯光纤走向垂直；
所述半球体三芯光纤SPR传感区(2)位于三芯光纤的非端面部位，包括下边芯裸露的半球体三芯光纤部(2-1)及包覆在下边芯裸露一侧平面的金属膜(2-2)；
所述球状塑料包层光纤SPR传感区(4)由球状塑料包层光纤纤芯(4-1)和包覆在球状纤芯表面的环形金膜(4-2)组成；
所述光纤SPR微流芯片(3)由π形的四通管道(3-1)、横截面为D形的D形光纤SPR传感区(3-2)以及由四通管道(3-1)内壁和D形光纤SPR传感区(3-2)形成的腔体(3-3)组成，所述腔体(3-3)的侧边两支管用以连接待测液体的管路，所述D形光纤SPR传感区(3-2)由少模单芯光纤打磨至纤芯(3-2-1)裸露，并在该裸露一侧平面包覆有金属膜(3-2-3)，所述D形光纤SPR传感区(3-2)一端与三芯光纤另一端正对熔接，D形光纤SPR传感区(3-2)的另一端与球状塑料包层光纤SPR传感区(4)正对熔接，两熔接部位封装入四通管道(3-1)。
2.根据权利要求1所述的一种大检测范围多通道光纤SPR微流芯片，其特征在于：该光纤SPR微流芯片的光路传播满足以下条件：
当光信号从所述半球体三芯光纤端面区(1)的上边芯入射时，光信号经由上边芯传输到腔体(3-3)的液体中，以液体作为波导传感光信号；
当光信号从所述半球体三芯光纤端面区(1)的中间芯入射时，光信号经由中间芯(1-2)传输到D形光纤SPR传感区(3-2)的纤芯(3-2-1)中，以D形光纤SPR传感区(3-2)的纤芯(3-2-1)作为波导传感光信号；
当光信号从所述半球体三芯光纤端面区(1)的下边芯入射时，将半球体三芯光纤SPR传感区(2)和球状塑料包层光纤SPR传感区(4)浸入不同折射率的外界待测液体中，光信号在所述半球体三芯光纤SPR传感区(2)和所述球状塑料包层光纤SPR传感区(4)传感。
3.根据权利要求1所述的一种大检测范围多通道光纤SPR微流芯片，其特征在于：所述三芯光纤的包层直径125μm、其三个纤芯直径均9μm。
4.根据权利要求2所述的一种大检测范围多通道光纤SPR微流芯片，其特征在于：所述半球体三芯光纤端面区(1)的包层纵向直径为200μm、纤芯纵向直径为18μm。
5.根据权利要求1所述的一种大检测范围多通道光纤SPR微流芯片，其特征在于：所述下边芯裸露的半球体三芯光纤部(2-1)由三芯光纤非端面部位放电熔球，使三芯光纤的三个纤芯受热膨胀直径增大，边芯接近包层外表面，再利用光纤侧面抛磨和抛光至下边纤芯裸露制成，所述金属膜(2-2)为镀制在裸露的纤芯表平面的50nm金膜。
6.根据权利要求1所述的一种大检测范围多通道光纤SPR微流芯片，其特征在于：所述四通管道(3-1)的主管道内直径126μm、外直径500μm。
7.根据权利要求1所述的一种大检测范围多通道光纤SPR微流芯片，其特征在于：所述环形金膜(4-2)厚度50nm，所述球状塑料包层光纤纤芯(4-1)球状部位纵向直径200μm。
8.根据权利要求1所述的一种大检测范围多通道光纤SPR微流芯片，其特征在于：所述半球体三芯光纤下边纤芯纵向直径为18μm，所述球状塑料包层光纤纤芯纵向直径为200μm。
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113310411A (zh) * | 2021-05-27 | 2021-08-27 | 重庆三峡学院 | 圆弧端面同轴双波导光纤二维位移传感器及其制作方法 |
| CN114100708A (zh) * | 2021-11-15 | 2022-03-01 | 矽翔微机电系统（上海）有限公司 | 微流体浓度传感芯片及微流体特性测量装置 |
| CN116650323A (zh) * | 2023-07-24 | 2023-08-29 | 成都中医药大学 | 一种基于微小力传感技术和生物学原理的传感针 |
-
2020
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