CN214584718U - 一种多通道传感系统 - Google Patents

Abstract

一种多通道传感系统，包括捕获装置、光源装置、样品池、信号处理装置和至少两光纤，每根光纤设有第一锥区和第二锥区，该至少两第一锥区放置于样品池中，该至少两第二锥区放置于样品池中；该捕获装置用于捕获并操纵样品池中的第一微粒和第二微粒分别置于第一锥区和第二锥区；该光源装置位于光纤一端以向光纤中发送光，光传输至锥区时耦合至微粒微腔中形成回音壁模式，通过信号处理装置接收光并进行处理得到参数信息。本实用新型可实现微粒的回音壁模式在一条光纤上级联，组成多路并行检测阵列传感器，提高检测的准确性，且不同微粒的微腔可激发不同的回音壁模式，实现较多次数的探测，稳定性和灵活性高，提高装置的重复使用率。

Description

一种多通道传感系统

技术领域

本实用新型涉及光学传感领域，特别是指一种多通道传感系统。

背景技术

光镊可以弹性捕获并操控数十纳米到数十微米大小的微粒。它是用“无形”的光来实现对微粒非机械接触、无损伤的捕获和操作，整个过程涉及的微粒生存环境几乎等同于“天然”环境。加之光具有穿透性,可以穿过封闭的样品池的透明外壁来操控池内微粒。这些特性使得光镊特别适合微粒，尤其是生物微粒的稳定操控。

当光从光密向光疏介质入射且入射角足够大时,可以在两种介质表面发生全反射,那么在弯曲的高折射率介质界面存在光学回音壁模式。回音壁模式光场能量不仅分布在高折射率微腔内部,微腔表面附近也存在较强的倏逝场分布，这部分倏逝场可以感知外界环境的变化。回音壁具有品质因数高，能量密度大的特点，且回音壁模式的微腔体积小与其极高的传感灵敏度使回音壁模式光学微腔广泛用于颗粒物检测以及各种微腔环境物理参数传感,如温度、磁场、应力等。

基于微腔的传感器,一类是测量压强、温度这些物理量的物理传感器,一类是识别化学成分的化学传感器,还有一类就是生物传感器。其中物理传感器己经被广泛的应用,但是化学和生物传感器仍远没有成熟。现有的回音壁模式的微腔通常尺寸较大，耦合结构复杂，只能使用一种固定的微腔回音壁模式使其丧失灵活性与简便性，可重复使用率低。相反具有尺寸小，耦合方式简单等优势的以微粒形式存在的微球腔研究较少。

目前，也有公开了一种微液滴传感装置及其用于折射率测量的方，其利用环形芯光纤光镊稳定控制微液滴使其形成完美的球腔，从而形成回音壁共振。此种通过微液滴形成回音壁的方式存在着缺陷，微液滴的大小、折射率等不易控制，且容易受环境影响而发生破裂和蒸发等问题。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于克服现有回音壁模式传感技术存在微腔模式固定，微腔结构和耦合方式复杂的问题，并且微液滴的大小、折射率等性质难以控制，且容易受环境影响如产生破裂蒸发等缺陷，提出一种多通道传感系统。

本实用新型采用如下技术方案：

一种多通道传感系统，包括捕获装置、光源装置、样品池和信号处理装置，该样品池内设有样品，其特征在于：还包括至少两光纤，每根光纤设有沿其长度方向间隔排列的第一锥区和第二锥区，该至少两第一锥区放置于样品池中并作为参考通道，该至少两第二锥区放置于样品池中并作为探测通道；该捕获装置用于捕获并操纵样品池中的第一微粒和第二微粒分别置于第一锥区和第二锥区；该光源装置位于光纤一端以向光纤中发送光，光传输至第一锥区或第二锥区时耦合至第一微粒或第二微粒中形成回音壁模式，该信号处理装置位于光纤另一端以接收光并进行处理得到参数信息。

优选的，所述第一锥区和/或第二锥区包括两对称相连的锥形部，第一锥区和/或第二锥区的直径为1-3μm,

优选的，所述第一锥区和所述第二锥区之间的距离为0.8-1.2μm。

优选的，第一锥区或第二锥区的透射率为：

其中Q_i代表第一微粒或第二微粒的微腔的本征品质因子，Q_ex为微腔与第一锥区或第二锥区的耦合品质因子，w是光谐振角频率，Δw是光耦合后谐振角频率变化量。

优选的，所述第一锥区或第二锥区与第一微粒或第二微粒距离位于预设的第一范围时，Q_i<Q_ex形成的所述回音壁模式为欠耦合。

优选的，所述第一锥区或第二锥区与第一微粒或第二微粒距离位于预设的第二范围时，Q_i＝Q_ex形成的所述回音壁模式为临界耦合。

优选的，所述第一锥区或第二锥区与第一微粒或第二微粒距离位于预设的第三范围时，Q_i>Q_ex形成的所述回音壁模式为过耦合。

优选的，所述第一微粒和/或第二微粒为环境中的球形、环形的细胞或组织，所述环境为空气或液体。

优选的，所述捕获装置包括光镊装置、显微镜装置、PC装置和摄像装置，该光镊装置与显微镜装置相连，摄像装置用于采集显微镜装置获取的图像信息，该PC装置与摄像装置相连，用于图像显示和操控光镊。

由上述对本实用新型的描述可知，与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

1、本实用新型的系统，包括捕获装置、光源装置、样品池、信号处理装置和至少两光纤等，每根光纤设第一锥区和第二锥区，捕获装置用于捕获并操纵样品池中的第一微粒和第二微粒分别置于第一锥区和第二锥区；光传输至第一锥区或第二锥区时耦合至第一微粒或第二微粒中形成回音壁模式，通过信号处理装置接收光并进行处理得到参数信息。本实用新型可实现微粒的回音壁模式在一条光纤上级联，组成多路并行检测阵列传感器，提高检测的准确性，且不同微粒的微腔可激发不同的回音壁模式，实现较多次数的探测，稳定性和灵活性高，提高装置的重复使用率。

2、本实用新型的系统，每条光纤中，选取捕获的两个微粒在大小和性质上相同，或尽可能相近，利用两个微粒的回音壁微腔级联构成一个差分传感系统，起到抑制噪声的作用。

3、本实用新型的系统，通过调整锥区和微粒微腔的相对位置实现提高微腔与锥区的耦合效率，耦合效率最高可以达到99％以上。

4、本实用新型的系统，光镊装置与显微物镜配合形成高度会聚的光束捕获并操纵样品池中的微粒，即可以实现粒子在三维空间的运动，从而能稳定捕获并操纵样品池中某一位置的微粒到另一具体位置。通过PC装置与摄像装置配合，用于接收图像信息进行处理和显示，方便操作者结合图像控制光镊装置实现微粒被操纵到距离锥区最合适的位置。

5、本实用新型的系统，可广泛用于颗粒物检测以及各种微腔环境物理参数传感,如温度、生物、压力等。

附图说明

图1是实用新型传感系统主要结构示意图(三通道并行)；

图2是锥形光纤与微粒微腔耦合示意图；

其中：10、光源装置，20、光纤，21、第一锥区，22、第二锥区，23、锥形部，30、信号处理装置，41、第一微粒，42、第二微粒，43、参考通道，44、探测通道。

以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详述。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本实用新型作进一步的描述。

本实用新型中，对于术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。对于描述中，采用了“上”、“下”、“左”、“右”、“前”和“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型，而不是指示或暗示所指的装置必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

另外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

参见图1，一种多通道传感系统，包括捕获装置、光源装置10、样品池和信号处理装置30等，该样品池内设有样品，还包括至少两光纤20，每条光纤20设有沿其长度方向间隔排列的第一锥区21和第二锥区22，该至少两第一锥区21放置于样品池中并作为参考通道43，该至少两第二锥区22放置于样品池中并作为探测通道44；该捕获装置用于捕获并操纵样品池中的第一微粒41和第二微粒42分别置于第一锥区21和第二锥区22；该光源装置10位于光纤20一端以向光纤20中发送光，光传输至第一锥区21或第二锥区22时耦合至第一微粒41或第二微粒42中形成回音壁模式，该信号处理装置30位于光纤20另一端以接收光并进行处理得到参数信息。

本实用新型中的光纤20数量可以是两根、三根甚至更多，可根据需求设定。该光纤20可以是单模光纤等，是一种采用化学腐蚀法、研磨法和熔拉法在光纤20上制作锥区的锥形光纤。

其中，样品池用于培养样品，样品池的数量可以是一个或两个，即第一锥区21和第二锥区22可放置于同一样品池内，或者分别放置于不同的样品池内，可根据所要测试的样品参数进行选择。样品池内培养不同尺寸及品质的微粒，可以是球形、环形的细胞或组织，样品池的环境为空气或液体，大多数情况下液体环境中探测较为稳定。微粒微腔为专门配置的溶液中的粒子微腔，制备出的固体微球谐振微腔中其增益介质所处位置不同，增益介质可均匀地掺杂在球内，增益介质也可均匀地分布在球的周围，这些微粒在尺寸、形状、折射率等性质上有差异。

实际应用中，样品为培养在提前配置的专门溶液中的微粒，是具有生物特异性的物质，包括酶、抗体、抗原、生物素、细胞器、细胞或生物组织本身等，且要求微粒大多数呈球形或环形，其微腔易激发回音壁模式。

进一步的，该第一锥区21包括两对称相连的锥形部23，第二锥区22也包括两对称相连的锥形部23，即第一锥区21和第二锥区22完全相同。每条光纤20的第一锥区21和第二锥区22的直径均为1-3μm。因两个微粒微腔间的耦合系数随间距的增大而减小，不同微粒有不同间距使两微腔间没有耦合，则第一锥区21和第二锥区22的间距大于此无耦合时两微粒间距，一般情况下为0.8-1.2μm。其中，至少两第一锥区21对齐排列，至少两第二锥区22对齐排列。

每条光纤20是利用两个微粒的回音壁微腔级联构成一个差分传感系统，起到抑制噪声的作用，其中第一微粒41置于左边的参考通道43，靠近对应的第一锥区21，第二微粒42置于右边的探测通道44，靠近对应的第二锥区22。实际应用中，每条光纤20中，选取的两个微粒在大小和性质上相同，或尽可能相近，使参考通道43与探测通道44受到的各种噪声尽可能相近。

光源装置10采用激光器，激光器的数量可与光纤20数量相一致，激光器位于光纤20的一端，向光纤20内注入光，光的光谱为1550nm左右，光可在光纤20中传输。

捕获装置(图中未示出)通过形成高度汇聚的光束捕获并操纵样品池中的微粒到光纤20的第一锥区21和第二锥区22处。微粒是靠近第一锥区21和第二锥区22，即二者不直接接触，具有一定间隙。光在通过其中一光纤20的第一锥区21或第二锥区22时，如图2所示，光耦合进入到捕获的微粒微腔中形成高Q值的回音壁模式，然后形成回音壁模式的倏逝波又回到光纤20中。

进一步的，本实用新型的捕获装置包括光镊装置、显微镜装置、PC装置和摄像装置等，该光镊装置与显微镜装置相连，该PC装置与摄像装置相连，用于图像显示和光镊操控。光镊装置与显微物镜配合形成高度会聚的光束捕获并操纵样品池中的微粒，即可以实现粒子在三维空间的运动，使能稳定捕获并操纵样品池中某一位置的微粒到另一具体位置。

摄像装置用于采集显微镜装置获取的图像信息，例如可采用CMOS相机。即耦合区域的光还可入射到显微物镜，又经分光镜反射后的图像信息被摄像装置采集。PC装置与摄像装置相连，用于接收图像信息进行处理和显示，方便操作者结合图像控制光镊装置实现微粒被操纵到距离锥区最合适的位置。

本实用新型中，第一锥区21或第二锥区22的透射率为：

其中Q_i代表第一微粒41或第二微粒42的微腔的本征品质因子，Q_ex为微腔与第一锥区21或第二锥区22的耦合品质因子，w是光谐振角频率，Δw是光耦合后谐振角频率变化量。

通过调整锥区和微粒微腔的相对位置实现提高微腔与锥区的耦合效率，耦合效率最高可以达到99％以上。具体的：第一锥区21或第二锥区22与第一微粒41或第二微粒42距离位于预设的第一范围时，Q_i<Q_ex，耦合效率非常小，耦合所激发的回音壁模式较弱，为欠耦合；第一锥区21或第二锥区22与第一微粒41或第二微粒42距离逐渐缩小，光能量全部耦合进入粒子微腔，耦合效率也逐渐增强，距离位于预设的第二范围时，此时Q_i＝Q_ex，光能量全部耦合进入粒子微腔，耦合效率最高，形成的所述回音壁模式为临界耦合；第一锥区21或第二锥区22与第一微粒41或第二微粒42距离位于预设的第三范围时，Q_i>Q_ex进入微腔的光波又很快耦合进入光纤，也会有更多的光会从微腔中耦合出去，耦合损耗大，为过耦合。

其中，第一范围是第一锥区21或第二锥区22与第一微粒41或第二微粒42相距较远时的范围，第二范围是第一锥区21或第二锥区22与第一微粒41或第二微粒42距离逐渐缩小到适当的程度，第三范围是第一锥区21或第二锥区22与第一微粒41或第二微粒42的距离很近。

由上述知需由捕获装置控制微粒到与锥形光纤适当的距离实现耦合效率最大，回音壁模式最强。

本实用新型的信号处理装置30可采用光谱分析仪或其它类似的功能的装置，其位于光纤20的另一端，用于接收光进行分析处理。

本实用新型的系统，通过光镊装置选定特定的培养微粒进行特定参数的检测使环境信息更容易被探测，也可多次使用不同微粒的微腔对同一参数进行探测，使实验参数检测结果进行比较，排除偶然性，保证结果的准确性。另外，不同的光纤20的通道放置不同的微粒形成多通道并行检测阵列，使每条光纤20都有差分传感器的作用，提高检测精度和效率。可根据实际情况对通道数进行设置且输出到信号处理装置30的信号更好分析得出结果。

本实施例中，由于高Q使得很容易被观测到外界环境的扰动下回音壁模式微粒微腔谱线的位置显著变化,信号处理装置30的信号改变是基于检测到外界干扰导致的微粒微腔内回音壁光学模式的变化。本实用新型工作原理如下：

将光纤的第一锥区、第二锥区放置于样品池中。检测时，光源装置10往光纤20一端发送光，同时通过捕获装置捕获并操纵样品池中的第一微粒41和第二微粒42分别置于第一锥区21和第二锥区22，光传输至第一锥区21耦合至第一微粒41形成回音壁模式后回到光纤20，再传输至第二锥区22耦合至第二微粒42形成回音壁模式后再次回到光纤20，信号处理装置30在光纤20另一端接收光并进行处理得到参数信息。

具体的，信号处理装置30得到回音壁模式的频率漂移和透射谱中模式分裂的变化，实时确定吸附到微腔表面的颗粒尺寸，进行计算得到生物微粒的直径与重量、环境的温度和探测微粒表面变化。模式分裂是模式的简并性被破坏，然后微粒内顺时针传播的模式和逆时针传播的模式发生分裂。信号处理装置可采用现有常规计算方法得到生物微粒的直径与重量、环境的温度和探测微粒表面变化。

可实现传感作用包括如下：

生物传感：当微腔所在的外部环境有所变化或者微腔表面黏附了纳米颗粒或生物分子时,就会引起光谱特性的变化，从而引起该共振模式的频率漂移。通过信号处理装置30分析频率的漂移可以推算出光镊捕获微粒附近的样品池中待测颗粒等生物微粒的直径与重量等尺寸信息。例如，这些信息对病毒的研究有重大意义，可把新冠肺炎病毒作为样品进行探测，可以实现对新冠肺炎病毒分子无标记、快速的、实时的光学检测。

温度传感：温度变化的膨胀收缩会引起微粒形态上的改变，使通过光纤耦合的微粒的微腔的半径、折射率等性质会相应地改变，使得其中回音壁模式谐振频率发生漂移，可以表示为

其中F是与光在第一微粒41或第二微粒42的微腔表面反射时获得与相位有关的灵敏度函数，λ是第一微粒或第二微粒周围的光谐振波长，Δn_r是回音壁模式频移下光谐振波长的变化，n_h是第一微粒41或第二微粒42周围介质的折射率，Δn_h为环境折射率的变化量，n_r是第一微粒41或第二微粒42的微腔的折射率，Δn_h为微腔折射率的变化量，R是第一微粒41或第二微粒42的微腔的直径，ΔR为环境变化引起的微腔尺寸的变化量。即温度等物理量的改变可以通过引起微腔折射率和尺寸的变化从而被探测。

压力传感：当样品池环境为待测气体，选定的微粒对气体环境折射率变化和气体分子比较敏感，光学模式发生变化，通过分析光信号可得到气体气压及其浓度等信息。当样品池环境为液体通过光信号可得出微腔谐振频率的漂移，不同浓度对应不同的偏移量，根据频谱的分析得到环境液体浓度。

每个生物微粒微腔所产生的频谱信号变化分别所对应的检测参数记录在专门的信息库中。

应用举例：参考通道43中通入已知浓度的去离子水，则参考通道43中由去离子水微粒微腔的引起的谐振波长漂移量为已知量。探测通道44通入待探测的样品及其所在环境。采用本实用新型的系统，两个通道中粒子的微腔谐振波长偏移量可以从输出光谱中得出，轻松可得出探测通道44中消除了噪声的谐振波长漂移量。

将不同微粒设置在不同光纤20上，探测通道44流过待测样品时会在每条光纤20输出不同的谐振波长漂移量，通过波长漂移量去专门的信息库匹配从而得出样品的浓度或温度信息，通过不同微粒腔实现对同一种样品进行同时多次测量。

上述仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本实用新型进行非实质性的改动，均应属于侵犯本实用新型保护范围的行为。

Claims (9)

1.一种多通道传感系统，包括捕获装置、光源装置、样品池和信号处理装置，该样品池内设有样品，其特征在于：还包括至少两光纤，每根光纤设有沿其长度方向间隔排列的第一锥区和第二锥区，该至少两第一锥区放置于样品池中并作为参考通道，该至少两第二锥区放置于样品池中并作为探测通道；该捕获装置用于捕获并操纵样品池中的第一微粒和第二微粒分别置于第一锥区和第二锥区；该光源装置位于光纤一端以向光纤中发送光，光传输至第一锥区或第二锥区时耦合至第一微粒或第二微粒中形成回音壁模式，该信号处理装置位于光纤另一端以接收光并进行处理得到参数信息。

2.如权利要求1所述的一种多通道传感系统，其特征在于：所述第一锥区和/或第二锥区包括两对称相连的锥形部，第一锥区和/或第二锥区的直径为1-3μm。

3.如权利要求1所述的一种多通道传感系统，其特征在于：所述第一锥区和所述第二锥区之间的距离为0.8-1.2μm。

4.如权利要求1所述的一种多通道传感系统，其特征在于：第一锥区或第二锥区的透射率为：

其中Q_i代表第一微粒或第二微粒的微腔的本征品质因子，Q_ex为微腔与第一锥区或第二锥区的耦合品质因子，w是光谐振角频率，Δw是光耦合后谐振角频率变化量。

5.如权利要求4所述的一种多通道传感系统，其特征在于：所述第一锥区或第二锥区与第一微粒或第二微粒距离位于预设的第一范围时，Q_i<Q_ex形成的所述回音壁模式为欠耦合。

6.如权利要求4所述的一种多通道传感系统，其特征在于：所述第一锥区或第二锥区与第一微粒或第二微粒距离位于预设的第二范围时，Q_i＝Q_ex形成的所述回音壁模式为临界耦合。

7.如权利要求4所述的一种多通道传感系统，其特征在于：所述第一锥区或第二锥区与第一微粒或第二微粒距离位于预设的第三范围时，Q_i>Q_ex形成的所述回音壁模式为过耦合。

8.如权利要求1所述的一种多通道传感系统，其特征在于：所述第一微粒和/或第二微粒为环境中的球形、环形的细胞或组织，所述环境为空气或液体。

9.如权利要求1所述的一种多通道传感系统，其特征在于:所述捕获装置包括光镊装置、显微镜装置、PC装置和摄像装置，该光镊装置与显微镜装置相连，摄像装置用于采集显微镜装置获取的图像信息，该PC装置与摄像装置相连，用于图像显示和操控光镊。

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