CN218629504U

CN218629504U - 气体、生物分子检测用的法布里帕罗微腔传感芯片及系统

Info

Publication number: CN218629504U
Application number: CN202221396702.2U
Authority: CN
Inventors: 赵旭阳; 吴翔; 李宇翔; 罗曼; 郭志和
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2022-05-28
Filing date: 2022-05-28
Publication date: 2023-03-14
Anticipated expiration: 2032-05-28

Abstract

本实用新型属于光学传感器技术领域，具体为一种用于气体分子、生物分子检测的法布里帕罗微腔传感芯片。本实用新型传感芯片包括制备有微泡的毛细石英管以及微泡表面镀覆的高反射率薄膜；微泡为中空结构；微泡表面的反射膜及微泡液芯区域形成法布里帕罗微腔。本实用新型基于微泡的透镜效应，克服了传统法布里帕罗谐振腔对平面反射镜之间高平行度的要求，减小了腔内谐振模式的体积，增加了腔内的光能量密度，使光与物质之间的相互作用增强；结合气体分子、生物分子对特定波段的光吸收特性以及比尔朗伯定律，实现对于超低浓度化学气体分子或生物分子的高灵敏度以及微量、痕量分析物检测。传感芯片结构简单，制备方便，且重复利用率高。

Description

气体、生物分子检测用的法布里帕罗微腔传感芯片及系统

技术领域

本实用新型属于光学传感器技术领域，具体涉及用于化学气体分子、生物分子检测的法布里帕罗微腔传感芯片及其制备方法和分子检测系统。

背景技术

近年来，气体的检测技术对于环境污染物监测、人体疾病以及呼吸诊断等方面具有极大的应用前景。常见的气体测量方法有气相色谱法、电化学法、化学发光法以及吸收光谱法。相比于前三者，吸收光谱法具有测量范围宽、相应时间快、特异性强、高灵敏度以及小型化等优点，成为了一种理想的化学气体监测技术。其中基于吸收光谱法的法布里帕罗谐振腔，由于腔自身导致的极高品质因子，导致腔内传输光的有效光程增加，因而光与物质充分相互作用，导致在特定波段的气体分子光吸收增强。通常构成法布里帕罗腔的腔镜反射率越高，传感器越灵敏，对低浓度气体分子的检测能力越强。

常规的法布里帕罗谐振腔(Fabry-Pérot resonator,FP)由两块保持高度平行的反射镜组成，其中入射光满足腔的谐振条件时，可以在腔内形成稳定的驻波场分布。理论上，反射镜的反射率越高，光在腔内被反射的次数越多，导致光与具有吸收的化学气体分子或生物分子相互作用越强，传感的分辨率越高。然而，在实际制备法布里帕罗谐振腔传感器时，由于腔镜无法保证高度平行，光在腔内传输的同时引入多次反射损耗，导致微腔的品质因子急剧下降。此外，由于缺乏横向模式约束，腔内谐振光场的模式体积增大，导致光能量密度减小，即光与物质作用强度下降。以上问题都限制了法布里帕罗微腔对于超低浓度的化学气体分子的检测。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种可以实现超低浓度化学气体分子、生物分子检测的法布里帕罗微腔传感芯片，此外还提供基于该法布里帕罗微腔传感芯片的气体分子、生物分子检测系统。

本实用新型提供的用于气体分子、生物分子检测的法布里帕罗微腔传感芯片，其结构如图1所示；包括：一根制备有微泡的毛细石英管以及微泡表面镀覆的高反射率薄膜；其中，微泡为中空结构；微泡表面的反射膜及微泡液芯区域形成法布里帕罗微腔；毛细石英管两端开口，一端通过特氟龙管与微流控系统连接，另一端通过特氟龙管与待测分析物(化学气体分子、生物分子)连接。

本实用新型中，所述高反射率薄膜的反射率为98-100％。

本实用新型中，所述高反射率薄膜为金属膜，如在微泡表面镀制40-60nm厚的金膜、银膜等，从而使得微泡表面的反射率范围为98-100％；或为多层高低折射率周期性交叉排列的介质薄膜，如在微泡表面依次沉积11-31层高低折射率的材料，从而使得微泡表面的反射率范围为98-100％。

本实用新型中，所述高反射率薄膜的反射波段从近紫外光到中红外光。

本实用新型中，所述石英管的直径为100-1000μm。

本实用新型中，所述石英微泡的直径为200-1100μm，壁厚为5-15μm，微泡的形状为扁椭球状。

本实用新型中，微泡的数量可为一个或者多个，如1-5个。

本实用新型中，所述石英管的材料优选为二氧化硅。

本实用新型提供的法布里帕罗微腔传感芯片可用于化学气体分子、生物分子检测。在进行检测时，根据检测对象对光的吸收特性，结合比尔朗伯定律实现基于光学手段、实时快速检测化学气体分子、生物分子的浓度及种类。

本实用新型还提供上述法布里帕罗微腔传感芯片的制备方法，具体步骤为：

(1)选取一段毛细石英微管，通过熔融鼓吹的方式，在其上面制备形状为扁椭球结构的微泡，其中微泡的数量为多个，例如为1-5个；

(2)在微泡的外表面镀覆高反射率的金属膜或高低折射率交叉排列的介质膜；

(3)在毛细石英微管两端连接特氟龙管，用于与微流控系统连接，实现对于待测分析物(化学气体分子、生物分子)的抽取。

本实用新型还提供基于上述传感芯片的用于化学气体分子、生物分子检测的系统，参见图4所示，该检测系统包括：依次连接的可调谐激光器4，平面反射镜5，光束准直器6，分束器7，第一聚焦物镜8，法布里帕罗微泡腔传感芯片9，第二聚焦物镜10，第一聚焦物镜或透镜11，光电探测器12，形成传感光路；此为还包括依次与分束器7连接的第二聚焦物镜或透镜14，CCD成像器件15，组成成像光路；其中：

可调谐激光器4用于发出检测激光；由平面反射镜5将所述激光器的输出激光传输到光束准直器6；光束准直器用于将入射激光准直成特定大小的平行光；分束器7用于将聚焦物镜所成的像传递给CCD成像器件；第一聚焦物镜8用于将准直的激光耦合到法布里帕罗微泡腔传感芯片9中，同时用于收集传感芯片的输出光以及对传感芯片进行成像；法布里帕罗微泡腔传感芯片9中英微泡的两端具有开口，一端通过特氟龙管与注射器、注射泵等组成的微流控系统16连接，另一端通过特氟龙管与待测分析物(化学气体分子、生物分子)连接；由大芯径光纤束充分收集第二聚焦物镜10收集到的输出光信号，并将其传给光电探测器12；光电探测器12接收所述的输出光信号，并将其转换成电信号传输给电脑13；电脑13用于显示光电探测器收集到的出射光谱信号，并对其进行实时处理分析；CCD成像器件15用于对微泡集成型法布里帕罗结构谐振腔传感芯片进行成像；微流控系统16，包括注射泵、注射器和特氟龙管，用于抽取待测分析物到石英微泡中；试管用于储存待测分析物。

上述检测系统的检测流程为，开启可调谐激光器，发出检测激光；利用CCD成像系统和五维调整架将入射激光耦合到所述微泡区域；利用微流控系统(包括注射泵、注射器、特氟龙管)抽取待测分析物进入微泡中，其过程为微流控系统的一端与石英微泡的一端口连接，石英微泡的另一端口通过特氟龙管与装有待测分析物的试管相连；采用光电探测器收集信号并用电脑显示、存储数据。

本实用新型所实现的技术原理为：直接在微泡表面镀高反射率薄膜，形成一个法布里帕罗结构双凹腔，基于微泡的透镜效应，不仅克服了传统法布里帕罗谐振腔对平面反射镜之间高平行度的要求，而且极大的减小了腔内谐振模式的体积，增加了腔内的光能量密度，使得光与物质之间的相互作用增强。结合气体分子、生物分子对特定波段的光吸收特性以及比尔朗伯定律，利用该高品质因子的谐振腔实现对于超低浓度化学气体分子或生物分子的检测。不仅可以实现极高的特异性，同时也实现了极高的灵敏度以及微量、痕量分析物检测。

本实用新型具有下述特点：

(1)本实用新型与传统的法布里帕罗谐振腔有重要区别；本实用新型中不需要额外的平面反射镜，反射膜直接镀在微泡表面形成法布里帕罗双凹腔；由于微泡自身的透镜效应，不仅可以进一步提高微泡的品质因子，而且可以极大的减小模式体积；

(2)本实用新型提供的法布里帕罗微泡腔传感器，克服了传统法布里帕罗谐振腔对两块平面反射镜高平行度对准的要求，极大提升了传感器的品质因子；

(3)本实用新型提供的法布里帕罗微泡腔自身就是一个具有中空结构的微流通道，可以同时实现对待测分析物的传输及检测；

(4)本实用新型提供的法布里帕罗微泡腔由于具备极高的品质因子和极高的光功率密度，不仅增加了光与物质相互作用的强度，而且也增加了光与物质相互作用的距离，因而可以实现高灵敏低浓度化学气体分子、生物分子检测；

(5)本实用新型提供的法布里帕罗微泡腔基于化学气体分子、生物分子在特定波段对光的吸收特性以及比尔朗伯定律，通过对光谱强度和模式线宽双重参数的测量，可以实现对化学气体分子或生物分子浓度的定量检测；

(6)本实用新型提供的法布里帕罗微泡腔基于气体分子或生物分子在特定波段对光的吸收特性，因此可同时实现对多种不同成分气体分子、生物分子的检测，实现高通量传感器；

(7)本实用新型中提供的传感芯片结构简单，制备方便，且重复利用率高；

(8)本实用新型中提供的传感芯片检测系统易于搭建，检测方法简单，便于实际应用。

附图说明

图1是本实用新型法布里帕罗微泡腔传感器结构图示。

图2是本实用新型法布里帕罗微泡腔传感器的理论计算透射光谱。

图3是本实用新型法布里帕罗微泡腔传感器的理论计算一氧化碳气体分子检测图示。

图4是本实用新型法布里帕罗微泡腔传感器的检测系统图示。

图中标号：1为石英微泡；2为特定波段的反射膜；3为待测分析物(化学气体分子、生物分子等)；4为可调谐激光器；5为平面反射镜，6为光束准直器；7为分束器；8为第一聚焦物镜；9为法布里帕罗微泡腔传感器；10为第二聚焦物镜；11为第一聚焦物镜或透镜；12为光电探测器；13为电脑；14为第二聚焦物镜或透镜；15为CCD成像器件；16为微流控系统；17为传感光路；18为成像光路。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本实用新型进一步详细说明，但本实用新型不限于这些实例。

实施例1

本实施例中，法布里帕罗微泡腔传感芯片(见图1)，具体包括：一根制备有石英微泡的毛细微管，其中石英微泡的直径为260μm，壁厚为10μm，微泡为中空结构，微管两端具有开口；微泡表面镀有特定波段的反射膜，反射膜的反射率为99.95％；微泡形状为扁椭球状。

本装置中，提供了法布里帕罗微泡腔的制备流程，包括：

(1)选取一段石英微管，通过熔融鼓吹的方式，在其上面制备形状为扁椭球结构的微泡，其中微泡的数量为1-5个；

(2)在微泡的正反面镀高反射率的金属膜或高低折射率交叉排列的介质薄膜；

(3)在毛细石英管两端连接特氟龙管，用于与微流控系统连接实现对于待测分析物(化学气体分子、生物分子)的抽取。

本装置中，当信号光垂直入射到上述微泡传感器前表面时，由于镜片具有一定的透射率，部分光穿过微泡表面进入两个凹面反射镜中间，由于两个凹面反射镜的高反射率，沿着光轴方向传输的光在两个凹面反射镜之间被不断地反射，同时当入射光波长满足法布里帕罗微泡腔的谐振条件时，在腔内形成稳定的振荡。法布里帕罗微泡腔的输出光振幅为：

其中，E_in为入射光振幅，T₁和T₂分别为微泡前后表面反射膜的透射率，R₁和R₂分别为微泡前后表面反射膜的反射率，L为腔长，α为腔内由于待测分析物(化学气体分子、生物分子)吸收引入的损耗因子，Ф(ν)为光场在两个腔镜中间来回反射一次后引入的相位差，其大小为：

c为真空中光速，n_eff为微泡内介质的有效折射率，ν为谐振频率。通过公式1可以看到，透射光振幅与腔内待测分析物的吸收因子α相关，其中α与待测分析物的吸收系数以及浓度有关，吸收系数越大，浓度越高，透射光振幅越低。此外，根据比尔朗伯定律，腔内光传输的距离越长，腔内待测物质对光的吸收越强，透射光振幅越低。本实用新型中法布里帕罗微泡腔传感器基于法布里帕罗腔以及微泡透镜效应的双重放大，极大的增加了光在腔内传播的有效光程，从而导致光对待测分析物质的吸收强度增加，实现对于超低浓度待测分析物(化学气体分子、生物分子)的检测，从而实现化学气体分子、生物分子的传感。

实施例2

本实施例中，基于实施例1的参数，进行所述法布里帕罗微泡腔传感器的理论计算。通过公式1，即可计算得到法布里帕罗微泡的透射谱，如图3所示。图3为其中一个谐振模式的透射谱，通过对其线宽进行拟合，其品质因子可以通过以下公式计算：

其中λ为谐振波长，Δλ为谐振模式半高全宽。计算得到该模式的品质因子为2.1×10⁶。进一步，通过改变腔内一氧化碳分子的浓度，对其进行检测，其中吸收因子α可以写为：

α＝nc·αcoefficient, (0)

其中n_c为一氧化碳气体分子浓度，单位为ppm，α_coefficient为一氧化碳气体在1556nm附近的消光系数，单位为ppm^-1m^-1。如图3(a)所示，随着一氧化碳气体分子浓度的增加，谐振模式的强度开始下降。通过对其峰值进行提取，得到如图3(b)所示，透射光强度随着一氧化碳气体分子浓度增加呈指数型衰减，且对于低浓度一氧化碳分子可以实现有效分辨。该理论结果表明法布里帕罗微泡腔由于具有高品质因子和高光能量密度，可以用于对超低浓度化学气体分子的检测。

此外，本实施例还提出了一种法布里帕罗微泡腔传感器的检测系统，如图4所示。开启可调谐激光器，发出检测光；光束经过光纤准直器之后，被准直成平行光依次通过分束器和聚焦物镜，平行光束被聚焦成小光斑并通过结合CCD成像器件将其有效耦合到法布里帕罗微泡腔中；法布里帕罗微泡腔的透射谱被聚焦物镜收集并进一步准直成平行光传输给远端的透镜或聚焦物镜，最终通过光电探测器实现对于透射光谱的检测，并将光谱显示于电脑中进行处理、分析。

Claims

1.一种气体、生物分子检测用的法布里帕罗微腔传感芯片，其特征在于，包括：一根制备有微泡的毛细石英管以及微泡表面镀覆的高反射率薄膜；微泡为中空结构；微泡表面的反射膜及微泡液芯区域形成法布里帕罗微腔；毛细石英管两端开口，一端通过特氟龙管可与微流控系统连接，另一端通过特氟龙管可与待测分析物连接。

2.根据权利要求1所述的法布里帕罗微腔传感芯片，其特征在于，所述高反射率薄膜的反射率为98-100％。

3.根据权利要求1所述的法布里帕罗微腔传感芯片，其特征在于，所述高反射率薄膜为金属膜或多层高低折射率周期性交叉排列的介质薄膜。

4.根据权利要求1所述的法布里帕罗微腔传感芯片，其特征在于，所述高反射率薄膜的反射波段从近紫外光到中红外光。

5.根据权利要求1所述的法布里帕罗微腔传感芯片，其特征在于，所述石英管的直径为100-1000μm。

6.根据权利要求1所述的法布里帕罗微腔传感芯片，其特征在于，所述微泡的直径为200-1100μm，壁厚为5-15μm，微泡的形状为扁椭球状。

7.根据权利要求1所述的法布里帕罗微腔传感芯片，其特征在于，微泡的数量为1-5个。

8.一种基于权利要求1-7之一所述的气体、生物分子检测用的法布里帕罗微腔传感芯片的系统，其特征在于，包括：依次连接的可调谐激光器(4)，平面反射镜(5)，光束准直器(6)，分束器(7)，第一聚焦物镜(8)，法布里帕罗微腔传感芯片(9)，第二聚焦物镜(10)，第一聚焦物镜或透镜(11)，光电探测器(12)，形成传感光路；还包括依次与分束器(7)连接的第二聚焦物镜或透镜(14)，CCD成像器件(15)，组成成像光路；其中：

可调谐激光器(4)用于发出检测激光；由平面反射镜(5)将所述激光器的输出激光传输到光束准直器(6)；光束准直器用于将入射激光准直成特定大小的平行光；分束器(7)用于将所述聚焦物镜所成的像传递给CCD成像器件(15)；第一聚焦物镜(8)用于将准直的激光耦合到法布里帕罗微腔传感芯片(9)中，同时用于收集传感芯片的输出光以及对传感芯片进行成像；法布里帕罗微腔传感芯片(9)中英微泡的两端具有开口，一端通过特氟龙管与注射器、注射泵组成的微流控系统(16)连接，另一端通过特氟龙管与待测分析物连接；由大芯径光纤束充分收集第二聚焦物镜(10)收集到的输出光信号，并将其传给光电探测器(12)；光电探测器(12)接收所述的输出光信号，并将其转换成电信号传输给电脑(13)；电脑(13)用于显示光电探测器收集到的出射光谱信号，并对其进行实时处理分析；CCD成像器件(15)用于对微泡集成型法布里帕罗结构谐振腔传感芯片进行成像；微流控系统(16)用于抽取待测分析物到微泡中。