CN113588599A - 3d微透镜级联式芯片折射率传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种3D微透镜级联式芯片折射率传感器，用于测量待测样品的折射率，包括芯片、LED光源、入射光纤、出射光纤和检测器，芯片内设有样品入口、样品出口、微流道和多个检测通道；微流道串联于样品入口和样品出口之间，以使待测样品从样品入口流经微流道并从样品出口流出；每一检测通道由一个入射光纤沟槽、一个出射光纤沟槽，以及形成于微流道内的3D微透镜腔组成，当3D微透镜腔内充满待测样品时，3D微透镜腔内的待测样品构成3D微透镜；不同的检测通道中的3D微透镜腔的数量不同且同一检测通道中的3D微透镜腔呈级联排列。本发明的传感器能够实现多量程折射率检测，检出限低，且生产成本较低、加工便捷。
Description
技术领域
本发明涉及光学检测分析技术领域，尤其是涉及一种3D微透镜级联式芯片折射率传感器。
背景技术
折射率是物质的基本光学性质，被广泛用于无荧光和无特征吸收样品的计量分析。折射率方法广泛用于工业配料中溶液配比实时监测、食品饮料工业中酒精度分析和含糖量分析、海水环境质量监测中的盐度测量和健康管理中的尿比重分析等。
常用手持式液体折射率仪成本较低，但分辨率较低，且不适于流动样品折射率实时检测。微流控芯片技术是近二三十年出现的新兴技术，微流控芯片体积和样品试剂消耗小，不同功能单元易于集成，适用于流动样品实时检测，已在临床医药，生物化学，环境食品等分析领域得到普遍应用。现有微流控折射率传感器按测量物理量主要分为波长调制型和强度调制型。
波长调制型折射率测量通常依赖谐振腔，干涉仪或者表面等离子体共振，并以光谱仪读取特征峰移动信息。尽管采用高分辨率光谱仪能获得优异的检测性能，但此类传感器加工复杂，光谱仪依赖性强，整体成本较高。
强度调制型折射率测量通常依赖几何光学中的折射和反射现象，因此传感器构造简单，易于制作，但通常灵敏度和分辨率较低，其传感性能仍需改进。
实际使用过程中，折射率待测样品种类多，折射率范围分布广，现有的折射率传感器通常采用单通道单量程设计，不能满足广泛适用各类检测要求。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种3D微透镜级联式芯片折射率传感器，该传感器能够实现多量程折射率检测，检出限低，且生产成本较低、加工便捷。
根据本发明实施例的3D微透镜级联式芯片折射率传感器，用于测量待测样品的折射率，包括：
芯片，所述芯片内设有样品入口、样品出口、微流道和多个检测通道；所述微流道串联于所述样品入口和所述样品出口之间，以使待测样品从所述样品入口流经所述微流道并从所述样品出口流出；每一所述检测通道由一个入射光纤沟槽、一个出射光纤沟槽，以及形成于所述微流道内的3D微透镜腔组成，当所述3D微透镜腔内充满待测样品时，所述3D微透镜腔内的待测样品构成3D微透镜；不同的所述检测通道中的所述3D微透镜腔的数量不同且同一所述检测通道中的所述3D微透镜腔呈级联排列；
LED光源，所述LED光源用于产生入射光线；
入射光纤，所述入射光纤用于插设在选定使用的一个所述检测通道的所述入射光纤沟槽中，以将所述入射光线引入所述芯片，并穿过级联的所述3D微透镜；
出射光纤，所述出射光纤用于插设在选定使用的一个所述检测通道的所述出射光纤沟槽中，以收集穿过级联的所述3D微透镜后的出射光线；
检测器，所述检测器用于记录所述出射光线的强度。
根据本发明实施例的3D微透镜级联式芯片折射率传感器，具有如下的优点：
第一、本发明实施例的3D微透镜级联式芯片折射率传感器有多个检测通道，不同的检测通道内配置有不同数量的3D微透镜腔且同一检测通道内的3D微透镜腔呈级联排列，这样，可以提供多量程折射率检测，对于只有一个3D微透镜腔的检测通道而言，可检测宽范围折射率，对于有多个3D微透镜腔的检测通道而言，检测范围变窄，灵敏度提高。相比于其他强度调制型液体折射率传感器，本发明实施例的3D微透镜级联式芯片折射率传感器检出限和分辨率显著改善，用户可根据应用场景选择相应量程的检测通道检测。第二、本发明实施例的3D微透镜级联式芯片折射率传感器是基于强度调制型的折射率传感器，光电二极管可作为检测器，非必须使用光谱仪，整体成本可显著降低。第三、本发明实施例的3D微透镜级联式芯片折射率传感器采用微流控设计，单次测量样品消耗量仅为微升级别，也可用于流动样品实时检测，可满足以折射率检测为定量依据的多领域应用如工业计量，食品工业，生化检测，环境监测等。第四、本发明实施例的3D微透镜级联式芯片折射率传感器是基于光线穿过3D微透镜传播后的光强变化，长时间使用后光强变化受附壁污染薄层影响微弱。第五、光线在3D微透镜中传播光程短，光强变化受待测样品介质吸收影响微弱。第六、清洗方便。第七、结构简单，便于加工。
根据本发明的一个实施例，所述3D微透镜的镜面与其光轴所在任意平面的交线的曲率均为非零值。
根据本发明进一步的实施例，所述3D微透镜为对称双球面镜、非对称双球面镜、单球面镜或非球面镜。
根据本发明的一个实施例，所述入射光纤插入所述入射光纤沟槽中时，所述入射光纤的端面与所述入射光纤沟槽的端面相贴平齐；所述出射光纤插入所述出射光纤沟槽中时，所述出射光纤的端面与所述出射光纤沟槽的端面相贴平齐。
根据本发明的一个实施例，同一所述检测通道中，所述3D微透镜腔按照特定数量、特定间隔和特定排列方式排列。
根据本发明进一步的实施例，当同一所述检测通道中只有一个所述3D微透镜腔时，所述3D微透镜腔的中心与所述入射光纤沟槽的端面之间的距离和所述3D微透镜腔的中心与所述出射光纤沟槽的端面之间的距离相同或不同；当同一所述检测通道中有多个所述3D微透镜腔且多个所述3D微透镜腔按光线传播方向计数时，首个所述3D微透镜腔的中心与所述入射光纤沟槽的端面之间的距离、末个所述3D微透镜腔的中心与所述出射光纤沟槽的端面之间的距离、以及两两相邻的所述3D微透镜腔的中心之间的距离均相同或不同。
根据本发明进一步的实施例，同一所述检测通道的所述3D微透镜腔的特定排列方式包括但不限于同光轴级联排列。
根据本发明的一个实施例，所述微流道在每一所述3D微透镜腔的附近流道段处采用变截面设计，每一所述附近流道段处的截面高度在沿逐渐靠近相应的所述3D微透镜腔的方向上由50微米渐变为250微米后与相应的所述3D微透镜腔相接。
根据本发明的一个实施例，所述芯片采用透明材料制作而成。
根据本发明进一步的实施例，所述芯片包括腔室结构部分和基底部分，所述腔室结构部分的一面上设有所述样品入口、所述样品出口、所述微流道和多个所述检测通道，所述腔室结构部分的所述一面与所述基底部分键合。
根据本发明再进一步的实施例，所述腔室结构部分的加工方式具体为：先采用脱模法加工出带有所述入射光纤沟槽、所述出射光纤沟槽、所述微流道和形成于所述微流道内的所述3D微透镜腔的第一腔室结构，再在所述第一腔室结构上打孔，以加工出所述样品入口和所述样品出口，得到第二腔室结构，再对所述第二腔室结构进行切割，以使所述入射光纤沟槽和所述出射光纤沟槽的外侧端分别具有供所述入射光纤和所述出射光纤插入的开口，最后得到所述腔室结构部分。
根据本发明的一些实施例，所述3D微透镜级联式芯片折射率传感器还用于光学信号调节或放大。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例的3D微透镜级联式芯片折射率传感器的结构示意图。
图2为本发明实施例的3D微透镜级联式芯片折射率传感器利用不同折射率蔗糖溶液进行测试的工作曲线。
图3为本发明实施例的3D微透镜级联式芯片折射率传感器在单透镜配置时进行的宽量程检测结果。
图4为本发明实施例的3D微透镜级联式芯片折射率传感器进行盐度测试时实时响应曲线。
图5为本发明实施例的3D微透镜级联式芯片折射率传感器进行尿液比重测试时的响应曲线。
附图标记：
3D微透镜级联式芯片折射率传感器1000
芯片1
样品入口101 样品出口102 微流道103 检测通道104 检测区域105
入射光纤沟槽1041 出射光纤沟槽1042 3D微透镜腔1043
LED光源2 入射光纤3 出射光纤4 检测器5
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面结合图1至图5来描述本发明实施例的3D微透镜级联式芯片折射率传感器1000。
根据本发明实施例的3D微透镜级联式芯片折射率传感器1000，用于测量待测样品的折射率。本发明实施例的3D微透镜级联式芯片折射率传感器1000包括芯片1、LED光源2、入射光纤3、出射光纤4和检测器5。
芯片1内设有样品入口101、样品出口102、微流道103和多个检测通道104；微流道103串联于样品入口101和样品出口102之间，以使待测样品从样品入口101流经微流道103并从样品出口102流出；每一检测通道104由一个入射光纤沟槽1041、一个出射光纤沟槽1042，以及形成于微流道103内的3D微透镜腔1043组成，当3D微透镜腔1043内充满待测样品时，3D微透镜腔1043内的待测样品构成3D微透镜；不同的检测通道104中的3D微透镜腔1043的数量不同且同一检测通道104中的3D微透镜腔1043呈级联排列。
可以理解的是，样品入口101、微流道103和样品出口102依次串联连通形成供待测样品流通的通道，3D微透镜腔1043形成在微流道103内，一方面，当待测样品充满微流道103时，3D微透镜腔1043中必然充满有待测样品，充满在3D微透镜腔1043中的待测样品则构成3D微透镜，3D微透镜具有光学调节作用，该调节作用与待测样品性质相关；另一方面，待测样品可以方便地载入微流道103内，同时，样品入口101、微流道103(包括形成于微流道103内的3D微透镜腔1043)以及样品出口102也方便清洗，例如，可以使用蠕动泵，注射泵或者手动正压注射或负压吸入来驱动待测样品或清洗液。芯片1在样品入口101和样品出口102之间的区域为检测区域105，在芯片1的检测区域105设有多个检测通道104，每一个检测通道104均由一个入射光纤沟槽1041、一个出射光纤沟槽1042和3D微透镜腔1043组成，且不同的检测通道104中的3D微透镜腔1043的数量不同，例如，如图1标示出了在检测区域105位置的四个检测通道104，四个检测通道104中的3D微透镜腔1043的数量分别为一、三、五、七个。对于检测通道104中有多个3D微透镜腔1043的情况下，3D微透镜腔1043呈级联排列，例如可以采用如图1所示的同光轴级联排列，也可以按照环轴排列，或者按其他方式排列。多个检测通道104可以提供多量程折射率检测，对于只有一个3D微透镜腔1043的检测通道104而言，可检测宽范围折射率，对于有多个3D微透镜腔1043的检测通道104而言，检测范围变窄，灵敏度提高。相比于其他强度调制型液体折射率传感器，本发明实施例的3D微透镜级联式芯片折射率传感器1000检出限和分辨率显著改善，用户可根据应用场景选择相应量程的检测通道104检测。
LED光源2用于产生入射光线。也就是说，LED光源2为折射率检测提供光源。
入射光纤3用于插设在选定使用的一个检测通道104的入射光纤沟槽1041中，以将入射光线引入芯片1，并穿过级联的3D微透镜。可以理解的是，入射光纤3的作用是使得入射光线能够沿入射光纤3进行传导而引入芯片1内，减少杂散光；入射光线进入芯片1内穿过级联的3D微透镜腔1043后，入射光线因3D微透镜(即充满于3D微透镜腔1043中的待测液体)与芯片1材料折射率差异而发散或聚敛后使得出射光线强度发生变化。出射光纤4用于插设在选定使用的一个检测通道104的出射光纤沟槽1042中，以收集穿过级联的3D微透镜后的出射光线。可以理解的是，出射光纤4用于收集出射光线，使得出射光线能够沿出射光纤4从芯片1内导出，以提高检测结果的可靠性。
检测器5用于记录出射光线的强度。具体地，检测器5可以为光电二极管，非必须使用光谱仪，可显著降低成本。
使用本发明实施例的3D微透镜级联式芯片折射率传感器1000对待测样品的折射率进行测量时，选定检测通道104后，先将入射光纤3和出射光纤4分别插入该选定的检测通道104中的入射光纤沟槽1041和出射光纤沟槽1042中，打开LED光源2，使高纯水充满样品入口101、微流道103和样品出口102，利用检测器5记录出射线的光强I0，然后，以待测样品置换芯片1内的高纯水，使待测样品充满样品入口101、微流道103和样品出口102，利用检测器5记录出射线的光强It；再对数化(It/I0)可得到光学响应值。例如，如图2所示，以不同折射率的蔗糖溶液为工作溶液进行测试绘制折射率和光学响应值关系的工作曲线。在实际样品测试时，通过本发明实施例的3D微透镜级联式芯片折射率传感器1000得到了一个实际待测样品的光学响应值，利用该光学响应值和图2所示的工作曲线就可以读取该实际待测样品的折射率。需要说明的是，样品折射率和浓度往往呈线性正相关关系，实际应用中有时浓度是首要关注参数(如盐度，尿比重，总溶解性固体含量等)，用本发明实施例的3D微透镜级联式芯片折射率传感器1000进行特定标准样品测试后，可直接绘制对应样品浓度和光学响应值的工作曲线。基于该工作曲线和待测样品光学响应值，可获得待测样品浓度。当样品组成较为复杂多变，无特定标准品时，可选取蔗糖溶液(或其他纯样品溶液)工作曲线为当量工作曲线，通过本发明实施例的3D微透镜级联式芯片折射率传感器1000得到待测样品光学响应值后可计算待测样品的蔗糖(或其他纯样品)当量浓度。
根据本发明实施例的3D微透镜级联式芯片折射率传感器1000，具有如下的优点：
第一、本发明实施例的3D微透镜级联式芯片折射率传感器1000有多个检测通道104，不同的检测通道104内配置有不同数量的3D微透镜腔1043且同一检测通道104内的3D微透镜腔1043呈级联排列，这样，可以提供多量程折射率检测，对于只有一个3D微透镜腔1043的检测通道104而言，可检测宽范围折射率，对于有多个3D微透镜腔1043的检测通道104而言，检测范围变窄，灵敏度提高，因此，相比于其他强度调制型液体折射率传感器，本发明实施例的3D微透镜级联式芯片折射率传感器1000检出限和分辨率显著改善，用户可根据应用场景选择相应量程的检测通道104检测。第二、本发明实施例的3D微透镜级联式芯片折射率传感器1000是基于强度调制型的折射率传感器，光电二极管可作为检测器5，非必须使用光谱仪，整体成本可显著降低。第三、本发明实施例的3D微透镜级联式芯片折射率传感器1000采用微流控设计，单次测量样品消耗量仅为微升级别，也可用于流动样品实时检测，可满足以折射率检测为定量依据的多领域应用如工业计量，食品工业，生化检测，环境监测等。第四、本发明实施例的3D微透镜级联式芯片折射率传感器1000是基于光线穿过3D微透镜传播后的光强变化，长时间使用后光强变化受附壁污染薄层影响微弱。第五、光线在3D微透镜中传播光程短，光强变化受待测样品吸收影响微弱。第六、清洗方便。第七、结构简单，便于加工。
根据本发明的一个实施例，3D微透镜的镜面与其光轴所在任意平面的交线的曲率均为非零值。需要说明的是，2D微透镜一般在过光轴并垂直于芯片1基底的平面内曲率为零，3D微透镜相比于2D微透镜，对光的调节作用更灵敏，从而有利于降低检出限。
根据本发明进一步的实施例，3D微透镜为对称双球面镜、非对称双球面镜、单球面镜或非球面镜。在实际生产过程中，可以根据需要进行选择。
根据本发明的一个实施例，入射光纤3插入入射光纤沟槽1041中时，入射光纤3的端面与入射光纤沟槽1041的端面相贴平齐；出射光纤4插入出射光纤沟槽1042中时，出射光纤4的端面与出射光纤沟槽1042的端面相贴平齐。可以理解的是，采用插入式的光纤设置方式具有光线高度集成的优点，使3D微透镜级联式芯片折射率传感器1000小型化，入射光纤3的端面与入射光纤沟槽1041的端面相贴平齐和出射光纤4的端面与出射光纤沟槽1042的端面相贴平齐均是为了减少光损耗，提高检测的准确性。
根据本发明的一个实施例，同一检测通道104中，3D微透镜腔1043按照特定数量、特定间隔和特定排列方式排列。需要说明的是，该数量可以是如图1中所示的一，三，五，七，也可以是其他数值。两两3D微透镜腔1043中心之间的间隔可以固定为1000微米，也可以固定为其他数值，也可以为非固定值，以获得更好的检测效果。
根据本发明进一步的实施例，当同一检测通道104中只有一个3D微透镜腔1043时，3D微透镜腔1043的中心与入射光纤沟槽1041的端面之间的距离和3D微透镜腔1043的中心与出射光纤沟槽1042的端面之间的距离相同或不同；当同一所述检测通道104中有多个所述3D微透镜腔1043且多个所述3D微透镜腔1043按光线传播方向计数时，首个所述3D微透镜腔1043的中心与所述入射光纤沟槽1041的端面之间的距离、末个所述3D微透镜腔1043的中心与所述出射光纤沟槽1042的端面之间的距离、以及两两相邻的所述3D微透镜腔1043的中心之间的距离均相同或不同。
例如，图1示意出了3D微透镜腔1043的中心与入射光纤沟槽1041的端面之间的距离、3D微透镜腔1043的中心与出射光纤沟槽1042的端面之间的距离、以及两两相邻的3D微透镜腔1043的中心之间的距离均相同，这样，更加易于后期数据分析，方便对实验参数进行相应调整，使用效果更好。
根据本发明进一步的实施例，同一检测通道104的3D微透镜腔1043的特定排列方式包括但不限于同光轴级联排列。例如各个3D微透镜腔1043除了可以按照同光轴级联排列外，还可以按照环轴排列或者按照其他方式进行排列。各个3D微透镜腔1043采用同光轴级联排列结构更加简单，加工方便。
根据本发明的一个实施例，微流道103在每一3D微透镜腔1043的附近流道段处采用变截面设计，每一附近流道段处的截面高度在沿逐渐靠近相应的3D微透镜腔1043的方向上由50微米渐变为250微米后与相应的3D微透镜腔1043相接。可以理解的是，采用变截面设计可以控制结构整体稳定性，太大的高宽比结构不稳定。另外，微流道103宽度不能太宽，如微流道103宽度可以在40-60微米范围内，较窄的微流道103可以缩短光程以减少待测样品光吸收对检测的干扰。
根据本发明的一个实施例，芯片1采用透明材料制作而成。可以理解的是，芯片1采用透明材质，从而使光线可以穿过。可选的，透明材料为PDMS材料，PDMS材料容易塑形和成型，适用脱模法制作微流控芯片1。
根据本发明进一步的实施例，芯片1包括腔室结构部分和基底部分，腔室结构部分的一面上设有样品入口101、样品出口102、微流道103和多个检测通道104，腔室结构部分的一面与基底部分键合，例如可采用氧等离子体表面处理来实现二者的键合。这样，便于加工。
根据本发明再进一步的实施例，腔室结构部分的加工方式具体为：先采用脱模法加工出带有入射光纤沟槽1041、出射光纤沟槽1042、微流道103和形成于微流道103内的3D微透镜腔1043的第一腔室结构，再在第一腔室结构上打孔，以加工出样品入口101和样品出口102，得到第二腔室结构，再对第二腔室结构进行切割，以使入射光纤沟槽1041和出射光纤沟槽1042的外侧端分别具有供入射光纤3和出射光纤4插入的开口，最后得到腔室结构部分。由此，加工过程具有加工过程简单、加工难度小、成本较低、可大量制作和重现性好的优点。
在一个加工芯片1的具体的例子中，首先根据模具设计模型用商用微纳3D打印机Nanoscribe通过双光子光固化IPS光刻胶制作模具，加工过程中模具的关键光学结构3D微透镜腔1043、入射光纤沟槽1041位于芯片1内的端面和出射光纤沟槽1042位于芯片1内的端面均采用高精度打印参数打印以获得光滑表面，减少光损；溶剂清洗未固化光刻胶后，将模具放入烘箱，待缓慢升温至200℃热处理2小时；将除泡后的聚二甲基硅氧烷(PDMS，折射率约为1.41)浇铸在模具上，进行二次真空除泡后放入烘箱在70℃放置4小时；待PDMS固化后冷却至室温脱模，得到第一腔室结构，再在第一腔室结构上打孔，以加工出样品入口101和样品出口102，得到第二腔室结构，再对第二腔室结构进行切割，以使入射光纤沟槽1041和出射光纤沟槽1042的外侧端分别具有供入射光纤3和出射光纤4插入的开口，最后得到腔室结构部分；将腔室结构部分通过氧等离子体表面处理后与基底部分键合，最终形成芯片1。
但芯片1制作材料不限于PDMS，芯片1制作方式也不限于脱模法。模具制作不限于Nanoscribe微纳3D打印，模具材料不限于IPS光刻胶，加工也不限于光刻胶固化等增材制造方式。
根据本发明的一些实施例，3D微透镜级联式芯片折射率传感器1000还用于光学信号调节或放大。例如可以用于荧光等其他光学信号调节或放大，应用范围广。
需要说明的是，在一个具体例子中，所用入射光纤3和出射光纤4均可以采用商用光纤，其外径为250微米，纤芯为105微米，数值孔径为0.22。
在一个具体的例子中，芯片1中的3D微透镜腔1043为对称双球面结构，3D微透镜腔1043厚度(这里的厚度是指单侧球面的厚度)为35微米，3D微透镜腔1043中心厚度(这里的中心厚度是指两个球面中间非球面部分的厚度)为50微米，3D微透镜腔1043直径为250微米，两两3D微透镜腔1043中心间隔1000微米；当同一所述检测通道104中有多个所述3D微透镜腔1043且多个所述3D微透镜腔1043按光线传播方向计数时，首个所述3D微透镜腔1043的中心与所述入射光纤沟槽1041的端面之间的距离、末个所述3D微透镜腔1043的中心与所述出射光纤沟槽1042的端面之间的距离、以及两两相邻的所述3D微透镜腔1043的中心之间的距离均1000微米；微流道103的截面为50×50微米方形，微流道103在3D微透镜腔1043附近高度由50微米渐变为250微米后与3D微透镜腔1043连接；入射光纤沟槽1041和出射光纤沟槽1042的截面均为250×250微米的方形，与所用入射光纤3和出射光纤4的标称直径匹配。
下面给出具体的例子来说明本发明实施例的3D微透镜级联式芯片折射率传感器1000的检测性能。
例子一：以不同浓度蔗糖溶液折射率检测为例说明本发明实施例的3D微透镜级联式芯片折射率传感器1000的检测性能。
检测过程采用蔗糖溶液的折射率标准品，根据折射率检测结果绘制得到图2，如图2所示，图2中N1，N3，N5，N7分别表示相应数量的级联3D微透镜腔1043的检测通道104，经过分析得到按数量一，三，五，七级联的3D微透镜腔1043在对应的检测通道104的平均分辨率分别为1.50×10-4RIU，5.34×10-5RIU，5.75×10-5RIU，3.83×10-5RIU；线性检测范围分别为1.3326–1.5120AU，1.3326–1.3822AU，1.3326–1.3595AU，1.3326–1.3548AU。上述单位AU为无量纲单位，是强度比值常用对数化值；RIU是Refractive Index Unit的缩写，是折射率单位。
为验证单透镜设置检测线性范围，将显微镜浸镜油(折射率为1.5120)用作增补校核样品，如图3所示，图中N1表示单个3D微透镜腔1043配置。结果显示，本发明实施例的3D微透镜级联式芯片折射率传感器1000的工作性能相较于商业手持式折射仪和其他文献报道的强度调制型折射率传感器的分辨率(10-3-10-4RIU)有显著提升。
例子二：以不同盐度溶液的检测结果为例说明本发明实施例的3D微透镜级联式芯片折射率传感器1000实时检测的技术效果。
检测通道104为3个3D微透镜腔1043级联的检测通道104。检测时，在样品入口101以8.5微升/分钟的流量连续泵入0.5％-25％的氯化钠溶液样品，如图4所示，检测器5信号依次阶跃上升，最后泵入高纯水，信号回到基线水平。通过线性回归分析，R平方值可达0.999。由此说明，本发明可用于盐溶液浓度实时监测。
例子三：以尿比重结果为例说明本发明实施例的3D微透镜级联式芯片折射率传感器1000的实际应用。
检测通道104为7个3D微透镜腔1043级联的检测通道104。检测时，在样品入口101以8.5微升/分钟的流量泵入不同的尿液样品，得到光强度响应值后和尿比重进行回归分析。如图5所示，线性关系显著，R平方值达到0.982。由此说明，本发明可用于尿比重快速检测。
综上，本发明3D微透镜级联式芯片折射率传感器1000单次测量样品消耗量仅为微升级别，样品消耗少，可实现微量检测，可用于流动样品实时检测，且结构简单，加工便捷，成本较低，多量程可用，检测范围宽，分辨率高。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“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、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、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。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (12)
1.一种3D微透镜级联式芯片折射率传感器，其特征在于，用于测量待测样品的折射率，包括：
芯片，所述芯片内设有样品入口、样品出口、微流道和多个检测通道；所述微流道串联于所述样品入口和所述样品出口之间，以使待测样品从所述样品入口流经所述微流道并从所述样品出口流出；每一所述检测通道由一个入射光纤沟槽、一个出射光纤沟槽，以及形成于所述微流道内的3D微透镜腔组成，当所述3D微透镜腔内充满待测样品时，所述3D微透镜腔内的待测样品构成3D微透镜；不同的所述检测通道中的所述3D微透镜腔的数量不同且同一所述检测通道中的所述3D微透镜腔呈级联排列；
LED光源，所述LED光源用于产生入射光线；
入射光纤，所述入射光纤用于插设在选定使用的一个所述检测通道的所述入射光纤沟槽中，以将所述入射光线引入所述芯片，并穿过级联的所述3D微透镜；
出射光纤，所述出射光纤用于插设在选定使用的一个所述检测通道的所述出射光纤沟槽中，以收集穿过级联的所述3D微透镜后的出射光线；
检测器，所述检测器用于记录所述出射光线的强度。
2.根据权利要求1所述的3D微透镜级联式芯片折射率传感器，其特征在于，所述3D微透镜的镜面与其光轴所在任意平面的交线的曲率均为非零值。
3.根据权利要求2所述的3D微透镜级联式芯片折射率传感器，其特征在于，所述3D微透镜为对称双球面镜、非对称双球面镜、单球面镜或非球面镜。
4.根据权利要求1所述的3D微透镜级联式芯片折射率传感器，其特征在于，所述入射光纤插入所述入射光纤沟槽中时，所述入射光纤的端面与所述入射光纤沟槽的端面相贴平齐；所述出射光纤插入所述出射光纤沟槽中时，所述出射光纤的端面与所述出射光纤沟槽的端面相贴平齐。
5.根据权利要求1所述的3D微透镜级联式芯片折射率传感器，其特征在于，同一所述检测通道中，所述3D微透镜腔按照特定数量、特定间隔和特定排列方式排列。
6.根据权利要求5所述的3D微透镜级联式芯片折射率传感器，其特征在于，当同一所述检测通道中只有一个所述3D微透镜腔时，所述3D微透镜腔的中心与所述入射光纤沟槽的端面之间的距离和所述3D微透镜腔的中心与所述出射光纤沟槽的端面之间的距离相同或不同；当同一所述检测通道中有多个所述3D微透镜腔且多个所述3D微透镜腔按光线传播方向计数时，首个所述3D微透镜腔的中心与所述入射光纤沟槽的端面之间的距离、末个所述3D微透镜腔的中心与所述出射光纤沟槽的端面之间的距离、以及两两相邻的所述3D微透镜腔的中心之间的距离均相同或不同。
7.根据权利要求5所述的3D微透镜级联式芯片折射率传感器，其特征在于，同一所述检测通道的所述3D微透镜腔的特定排列方式包括但不限于同光轴级联排列。
8.根据权利要求1所述的3D微透镜级联式芯片折射率传感器，其特征在于，所述微流道在每一所述3D微透镜腔的附近流道段处采用变截面设计，每一所述附近流道段处的截面高度在沿逐渐靠近相应的所述3D微透镜腔的方向上由50微米渐变为250微米后与相应的所述3D微透镜腔相接。
9.根据权利要求1所述的3D微透镜级联式芯片折射率传感器，其特征在于，所述芯片采用透明材料制作而成。
10.根据权利要求9所述的3D微透镜级联式芯片折射率传感器，其特征在于，所述芯片包括腔室结构部分和基底部分，所述腔室结构部分的一面上设有所述样品入口、所述样品出口、所述微流道和多个所述检测通道，所述腔室结构部分的所述一面与所述基底部分键合。
11.根据权利要求10所述的3D微透镜级联式芯片折射率传感器，其特征在于，所述腔室结构部分的加工方式具体为：先采用脱模法加工出带有所述入射光纤沟槽、所述出射光纤沟槽、所述微流道和形成于所述微流道内的所述3D微透镜腔的第一腔室结构，再在所述第一腔室结构上打孔，以加工出所述样品入口和所述样品出口，得到第二腔室结构，再对所述第二腔室结构进行切割，以使所述入射光纤沟槽和所述出射光纤沟槽的外侧端分别具有供所述入射光纤和所述出射光纤插入的开口，最后得到所述腔室结构部分。
12.根据权利要求1-11中任意一项所述的3D微透镜级联式芯片折射率传感器，其特征在于，所述3D微透镜级联式芯片折射率传感器还用于光学信号调节或放大。
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| CN113588599B (zh) | 2024-04-12 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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