RU2626299C1 - Device for registration of optical parameters of liquid analyte - Google Patents

Device for registration of optical parameters of liquid analyte Download PDF

Info

Publication number
RU2626299C1
RU2626299C1 RU2016122327A RU2016122327A RU2626299C1 RU 2626299 C1 RU2626299 C1 RU 2626299C1 RU 2016122327 A RU2016122327 A RU 2016122327A RU 2016122327 A RU2016122327 A RU 2016122327A RU 2626299 C1 RU2626299 C1 RU 2626299C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
photodetector
frequency range
optical
camera
source
Prior art date
Application number
RU2016122327A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Иванович Сидоров
Александр Валентинович Ильинский
Евгений Борисович Шадрин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Priority to RU2016122327A priority Critical patent/RU2626299C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2626299C1 publication Critical patent/RU2626299C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03—Cuvette constructions
    • G01N21/0332—Cuvette constructions with temperature control

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: apparatus includes a substrate in the thickness of which a chamber is formed, an input and output microfluidic channels communicating with the camera, an optical radiation source of the visible range optically coupled through the camera to the first photodetector, a near infrared radiation source, a second photodetector and a temperature sensor. The temperature sensor is in the form of a film interference coating of the end of the optical waveguide located in the chamber and equipped with a Y-splitter, one branch of which is connected to a source of near infrared radiation, and the other branch is connected to the second photodetector. In the walls of the chamber, a light-absorbing layer is formed on its inner surfaces.
EFFECT: increasing the accuracy of measuring the temperature of the analyte in the detection zone.
9 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности, для контроля параметров фазовых переходов в жидких средах методом упругого рассеяния света.The invention relates to measuring technique and can be used, in particular, to control the parameters of phase transitions in liquid media by the method of elastic light scattering.

Известно устройство для измерения показателя преломления жидкого аналита (Haibo Wuetal. -An ultra-low detection-limit optofluidic biosensor based on all glass Fabry-Perot cavity. // Opt. Express22, 31977-31983, 2014), содержащее подложку, микрофлюидный канал, сформированный на подложке и помещенный в интерферометр, и два оптических волновода для ввода и вывода оптического сигнала.A device for measuring the refractive index of a liquid analyte (Haibo Wuetal. -An ultra-low detection-limit optofluidic biosensor based on all glass Fabry-Perot cavity. // Opt. Express22, 31977-31983, 2014), containing a substrate, microfluidic channel, formed on a substrate and placed in an interferometer, and two optical waveguides for input and output of an optical signal.

Недостатком устройства является необходимость использования спектрофотометра для регистрации сигнала и невозможность определения параметров фазовых превращений аналита.The disadvantage of this device is the need to use a spectrophotometer to record the signal and the inability to determine the parameters of the phase transformations of the analyte.

Известно устройство для регистрации оптических параметров аналита (см. заявка РСТ WO 2011005776, МПК G01N 01/10, G01N 15/06, G01N 15/14, G01N 21/01, G01N 21/64, G01N 33/36, опубликована 13.01.2011), включающее подложку, микрофлюидный потоковый канал, сформированный на подложке, источник света и первое полупрозрачное (дихроичное) зеркало, устройство сбора света, испускаемого клетками, а также первое устройство обработки излучения, многожильный оптический кабель с Y-образным разветвителем; фотоумножитель или фотодиод; второй источник света и второе полупрозрачное зеркало, позволяющее отражать свет клеток и способное пропускать его через себя; второе устройство сбора света, способное собирать свет, испускаемый клетками в другом направлении, и второе устройство обработки оптических параметров излучения.A device is known for recording optical parameters of an analyte (see PCT application WO 2011005776, IPC G01N 01/10, G01N 15/06, G01N 15/14, G01N 21/01, G01N 21/64, G01N 33/36, published 01/13/2011 ), comprising a substrate, a microfluidic flow channel formed on the substrate, a light source and a first translucent (dichroic) mirror, a device for collecting light emitted by cells, as well as a first radiation processing device, a multi-core optical cable with a Y-shaped splitter; photomultiplier or photodiode; a second light source and a second translucent mirror, allowing to reflect the light of cells and able to pass it through itself; a second light collecting device capable of collecting light emitted by the cells in the other direction, and a second optical radiation parameter processing device.

Недостатком известного устройства является невозможность изменения и измерения температуры аналита и определения параметров его фазовых превращений.A disadvantage of the known device is the impossibility of changing and measuring the temperature of the analyte and determining the parameters of its phase transformations.

Известно устройство для регистрации оптических параметров жидкого аналита (см. заявка РСГ WO 2016025698, МПК G01N 33/543, G01N 33/571, G01N 33/58, опубликована 18.02.2016), совпадающее с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и выбранное в качестве прототипа. Устройство - прототип включает подложку, в толще которой сформированы по меньшей мере одна камера, входной и выходной микрофлюидные каналы, сообщающиеся с камерой, источник оптического излучения видимого диапазона частот, оптически соединенный через камеру с первым фотоприемником, источник излучения ближнего инфракрасного диапазона частот и второй фотоприемник, модуль контроля, управляющий источниками света и фотоприемниками, предназначенными для выполнения в зоне детектирования колориметрических измерений параметров аналита посредством спектрофотометра.A device is known for recording the optical parameters of a liquid analyte (see RSG application WO 2016025698, IPC G01N 33/543, G01N 33/571, G01N 33/58, published 02/18/2016), which coincides with this decision by the largest number of essential features and selected in as a prototype. The prototype device includes a substrate, in the thickness of which at least one camera is formed, the input and output microfluidic channels communicating with the camera, an optical radiation source of the visible frequency range, optically connected through the camera to the first photodetector, a near infrared frequency source and a second photodetector , a control module that controls light sources and photodetectors designed to perform analyte parameters in the detection zone for colorimetric measurements dstvom spectrophotometer.

Недостатком известного устройства является его усложненная конструкция из-за необходимости использования спектрофотометра для регистрации детектируемого сигнала, а также невозможность точного измерения температуры жидкого аналита в зоне детектирования.A disadvantage of the known device is its complicated design due to the need to use a spectrophotometer to register the detected signal, as well as the inability to accurately measure the temperature of the liquid analyte in the detection zone.

Задачей настоящего изобретения являлась разработка устройства для регистрации оптических параметров жидкого аналита, обеспечивающего повышенную по сравнению с прототипом стабилизацию и точность измерения температуры жидкого аналита в зоне детектирования.The objective of the present invention was to develop a device for recording the optical parameters of liquid analyte, providing improved stabilization and accuracy of measuring the temperature of liquid analyte in the detection zone compared to the prototype.

Поставленная задача решается тем, что устройство для регистрации оптических параметров жидкого аналита включает подложку, в толще которой сформированы камера, входной и выходной микрофлюидные каналы, сообщающиеся с камерой, источник оптического излучения видимого диапазона частот, оптически соединенный через камеру с первым фотоприемником, источник излучения ближнего инфракрасного диапазона частот и второй фотоприемник, Новым является снабжение устройства датчиком температуры. Датчик температуры выполнен в виде пленочного интерференционного покрытия торца оптического волокна, расположенного в камере и снабженного Y-разветвителем, одна ветвь которого соединена с источником излучения ближнего инфракрасного диапазона, а другая ветвь соединена со вторым фотоприемником, при этом в стенках камеры у ее внутренних поверхностей сформирован светопоглощающий слой.The problem is solved in that the device for recording the optical parameters of liquid analyte includes a substrate, in the thickness of which a camera is formed, input and output microfluidic channels communicating with the camera, an optical radiation source of the visible frequency range, optically connected through the camera to the first photodetector, a near radiation source infrared frequency range and a second photodetector, New is the supply of the device with a temperature sensor. The temperature sensor is made in the form of a film interference coating of the end of the optical fiber located in the chamber and equipped with a Y-splitter, one branch of which is connected to a near-infrared radiation source, and the other branch is connected to a second photodetector, while in the walls of the chamber near its inner surfaces is formed light absorbing layer.

Подложка может быть выполнена из химически инертного неорганического или полимерного материала.The substrate may be made of a chemically inert inorganic or polymeric material.

Пленочное интерференционное покрытие выполнено из последовательно нанесенных на торец оптического волокна слоев полупроводника и диэлектрика (диэлектрического зеркала) толщиной 400-800 нм.The film interference coating is made of layers of a semiconductor and a dielectric (dielectric mirror) 400-800 nm thick sequentially applied to the end of the optical fiber.

Источник оптического излучения видимого диапазона частот может быть выполнен в виде лазера или в виде лазерного диода.The optical radiation source of the visible frequency range can be made in the form of a laser or in the form of a laser diode.

Светопоглощающий слой в стенках камеры у ее внутренних поверхностей может быть выполнен в виде слоя стекла, содержащего наночастицы металла, например, серебра или никеля, или железа, или меди.The light-absorbing layer in the walls of the chamber at its inner surfaces can be made in the form of a glass layer containing metal nanoparticles, for example, silver or nickel, or iron, or copper.

Устройство может содержать третий фотоприемник, оптически соединенный с источником оптического излучения видимого диапазона частот через первое полупрозрачное зеркало, установленное под углом 45 градусов к продольной оси входного канала излучения видимого диапазона частот.The device may include a third photodetector, optically connected to the optical radiation source of the visible frequency range through a first translucent mirror mounted at an angle of 45 degrees to the longitudinal axis of the input radiation channel of the visible frequency range.

Устройство может содержать четвертый фотоприемник, оптически соединенный с источником ближнего инфракрасного диапазона частот через второе полупрозрачное зеркало, установленное под углом 30 или 60 градусов к продольной оси входного канала излучения видимого диапазона частот.The device may include a fourth photodetector, optically connected to the source of the near infrared frequency range through a second translucent mirror mounted at an angle of 30 or 60 degrees to the longitudinal axis of the input radiation channel of the visible frequency range.

Изобретение иллюстрируется чертежом, где:The invention is illustrated in the drawing, where:

на фиг. 1 схематически изображен общий вид настоящего устройства для регистрации оптических параметров жидкого аналита;in FIG. 1 schematically shows a General view of the present device for recording the optical parameters of a liquid analyte;

на фиг. 2 показана в продольном разрезе конструкция торца волновода 15 с интерференционным покрытием 14;in FIG. 2 shows in longitudinal section the structure of the end face of the waveguide 15 with interference coating 14;

на фиг. 3 приведены расчетные спектры отражения интерференционного покрытия 14 при различных температурах: 1-20°C, 2-85°C, 3-95°C. Пунктирный указатель соответствует длине волны полупроводникового лазера;in FIG. Figure 3 shows the calculated reflection spectra of interference coating 14 at various temperatures: 1–20 ° C, 2–85 ° C, 3–95 ° C. The dotted pointer corresponds to the wavelength of the semiconductor laser;

на фиг. 4 показана расчетная зависимость коэффициента отражения интерференционного покрытия 14 от температуры для длины волны 980 нм;in FIG. 4 shows the calculated temperature reflection coefficient of the interference coating 14 for a wavelength of 980 nm;

на фиг. 5 приведена зависимость сигнала фотоприемника 11, регистрирующего излучение, рассеянное в камере 2 аналитом, от температуры аналита.in FIG. Figure 5 shows the dependence of the signal of the photodetector 11, detecting radiation scattered in the chamber 2 by the analyte, on the temperature of the analyte.

Устройство для регистрации оптических параметров жидкого аналита (см. фиг. 1-фиг. 2) включает подложку 1, выполненную, например, из химически инертного боросиликатного стекла, в толще которой сформированы: камера 2 для жидкого аналита, входной микрофлюидный канал 3 и выходной микрофлюидный канал 4, сообщающиеся с камерой 2, источник 5 оптического излучения видимого диапазона частот, в виде, например, лазера, оптически соединенный через камеру 2, например, с помощью линзы 6 и оптических волноводов 7, 8, проведенных через каналы соответственно 9, 10, с первым фотоприемником 11. Выбор длины волны излучения источника 5, например, 405 нм, обусловлен тем, что сечение светорассеяния пропорционально 1/λ4 (λ - длина волны излучения). Поэтому, уменьшение длины волны зондирующего излучения позволяет увеличить чувствительность устройства к изменению светорассеяния в камере 2. В устройство также входит источник 12 излучения ближнего инфракрасного диапазона частот, например, в виде лазера, и второй фотоприемник 13. Выбор длины волны излучения источника 12, например, 980 нм обусловлен тем, что вода, которая обычно присутствует в аналите, имеет полосы поглощения в спектральном интервале 920-1400 нм. Устройство снабжено датчиком температуры в виде пленочного интерференционного покрытия 14 торца оптического волновода 15, проведенного в камеру 2 через канал 16 и снабженного Y-образным разветвителем 17, одна ветвь 18 которого соединена с источником 12 ближнего инфракрасного диапазона через линзу 19, а другая ветвь 20 соединена со вторым фотоприемником 13, В стенках камеры 2 у ее внутренних поверхностей сформирован светопоглощающий слой 21, выполнен в виде слоя стекла, содержащего наночастицы металла, например, серебра или меди, введенных методом ионного обмена. Пленочное интерференционное покрытие 14 состоит, например, из слоя 22 кремния, слоя 23 диоксида кремния и слоя 24 кремния, которые нанесены на торец оптического волновода 15, состоящего из сердцевины 25 из кварцевого стекла и стеклянной оболочки 26. Для контроля мощности источника 5 оптического излучения видимого диапазона частот устройство может содержать третий фотоприемник 27, оптически соединенный с источником 5 через первое полупрозрачное зеркало 28, установленное под углом 45 градусов к продольной оси входного канала излучения видимого диапазона частот. Для контроля мощности источника 12 ближнего инфракрасного диапазона устройство может содержать четвертый фотоприемник 29, оптически соединенный с источником 12 через второе полупрозрачное зеркало 30, установленное под углом 30 или 60 градусов к продольной оси входного канала излучения видимого диапазона частот. Подложка 1 герметично закрыта крышкой (на чертеже не показана).A device for recording the optical parameters of a liquid analyte (see Fig. 1-Fig. 2) includes a substrate 1 made, for example, of chemically inert borosilicate glass, in the thickness of which are formed: a chamber 2 for liquid analyte, an input microfluidic channel 3 and an output microfluidic channel 4 communicating with camera 2, a source of optical radiation of the visible frequency range, in the form, for example, of a laser, optically connected through camera 2, for example, using a lens 6 and optical waveguides 7, 8, conducted through channels 9, 10, respectively from ervym photodetector 11. Selection wavelength source 5, for example, 405 nm, due to the fact that the scattering cross section is proportional to 1 / λ4 (λ - wavelength). Therefore, reducing the wavelength of the probing radiation makes it possible to increase the sensitivity of the device to changes in light scattering in the camera 2. The device also includes a source 12 of near-infrared radiation, for example, in the form of a laser, and a second photodetector 13. The choice of the wavelength of the radiation of source 12, for example, 980 nm is due to the fact that water, which is usually present in the analyte, has absorption bands in the spectral range of 920-1400 nm. The device is equipped with a temperature sensor in the form of a film interference coating 14 of the end of the optical waveguide 15, conducted into the chamber 2 through the channel 16 and provided with a Y-shaped splitter 17, one branch 18 of which is connected to the source 12 of the near infrared range through the lens 19, and the other branch 20 is connected with a second photodetector 13, In the walls of the chamber 2 at its inner surfaces a light-absorbing layer 21 is formed, made in the form of a glass layer containing metal nanoparticles, for example, silver or copper, introduced by the method and onnogo exchange. The film interference coating 14 consists, for example, of a silicon layer 22, a silicon dioxide layer 23 and a silicon layer 24, which are deposited on the end of the optical waveguide 15, which consists of a quartz glass core 25 and a glass sheath 26. To control the power of the visible optical source 5 of the frequency range, the device may include a third photodetector 27, optically connected to the source 5 through the first translucent mirror 28, mounted at an angle of 45 degrees to the longitudinal axis of the input radiation channel of the visible range azone frequencies. To control the power of the near-infrared source 12, the device may include a fourth photodetector 29, optically connected to the source 12 through a second translucent mirror 30, mounted at an angle of 30 or 60 degrees to the longitudinal axis of the input radiation channel of the visible frequency range. The substrate 1 is hermetically closed by a cover (not shown in the drawing).

Настоящее устройство работает следующим образом.This device operates as follows.

В камеру 2 через входной микрофлюидный канал 3 подают жидкий аналит, а по выходному микрофлюидному каналу 4 аналит вытекает из нее. В камеру 2 через оптический волновод 15 вводят излучение источника 12 излучения ближнего инфракрасного диапазона, например, лазера или лазерного диода, длина волны которого попадает в полосу поглощения аналита, что приводит к его нагреву. Часть излучения, не поглощенная аналитом, поглощается в светопоглощающем слое 21, сформированном в стенках камеры 2 у ее внутренних поверхностей, что приводит к дополнительному, причем однородному, нагреву аналита. Интерференционное покрытие 14 на торце оптического волновода 15 пропускает часть излучения в камеру 2, а часть излучения отражается и попадает на фотоприемник 13, расположенный на другой ветви 20 оптического волновода 15. При нагреве излучением аналита тепло передается на интерференционное покрытие 14, содержащее, например, полупроводниковых слоев кремния, диоксида ванадия и окиси магния 22, 23, 24. При нагреве этих слоев 22, 23, 24 происходит изменение показателя их преломления, что сопровождается спектральным сдвигом резонансных полос интерференционного покрытия 14 и изменением его коэффициента отражения на длине волны источника 12 излучения ближнего инфракрасного диапазона. Регистрация отраженного оптического сигнала фотоприемником 13 позволяет производить измерение температуры аналита на основе соответствующей калибровки. По оптическому волноводу 7 излучение источника 5 видимого диапазона частот вводят в камеру 2, часть излучения, прошедшего через аналит или рассеянного им, через оптический волновод 8 поступает на фотоприемник 11. В качестве оптических волноводов 7, 8, 15 могут быть использованы оптические волокна. При определенной температуре (например, 67°C для диоксида ванадия, 75°C для раствора белка) вещество аналита претерпевает фазовый переход, что сопровождается резким увеличением светорассеяния. Рассеянное излучение при этом поглощается оптическим поглощающим слоем 21 на стенках камеры 2. Это приводит к уменьшению сигнала фотоприемника 11 (фиг. 5), что позволяет зарегистрировать температуру фазового перехода. Величина изменения сигнала фотоприемника 11, при проведении соответствующей калибровки, позволяет получить информацию о концентрации белка в аналите. После проведения анализа аналит удаляют из камеры 2 через микрофлюидный канал 7. Кроме того, дополнительная информация может быть получена из измерения индикатрисы рассеяния света аналитом, для чего в устройстве может быть предусмотрена возможность анализа светорассеяния под углами 30, 45, 60 и 90 градусов. Это позволяет зафиксировать присутствие новой фазы в аналите, а таже определить тип вещества и его концентрацию.Liquid analyte is fed into the chamber 2 through the microfluidic input channel 3, and the analyte flows out of the microfluidic output channel 4. The radiation from a near-infrared radiation source 12, for example, a laser or a laser diode, whose wavelength falls into the analyte absorption band, is introduced into the chamber 2 through an optical waveguide 15, which leads to its heating. Part of the radiation not absorbed by the analyte is absorbed in the light-absorbing layer 21 formed in the walls of the chamber 2 at its inner surfaces, which leads to additional, and uniform, heating of the analyte. The interference coating 14 at the end of the optical waveguide 15 passes part of the radiation into the chamber 2, and part of the radiation is reflected and enters the photodetector 13 located on the other branch 20 of the optical waveguide 15. When heated by radiation of the analyte, heat is transferred to the interference coating 14, containing, for example, semiconductor layers of silicon, vanadium dioxide and magnesium oxide 22, 23, 24. When these layers 22, 23, 24 are heated, their refractive index changes, which is accompanied by a spectral shift of the resonance interference bands of the coating 14 and a change in its reflection coefficient at the wavelength of the source of radiation 12 of the near infrared range. Registration of the reflected optical signal by the photodetector 13 allows the measurement of the analyte temperature based on appropriate calibration. Through the optical waveguide 7, the radiation of the source 5 of the visible frequency range is introduced into the chamber 2, a part of the radiation transmitted through the analyte or scattered by it is transmitted through the optical waveguide 8 to the photodetector 11. Optical fibers can be used as optical waveguides 7, 8, 15. At a certain temperature (for example, 67 ° C for vanadium dioxide, 75 ° C for a protein solution), the analyte substance undergoes a phase transition, which is accompanied by a sharp increase in light scattering. In this case, the scattered radiation is absorbed by the optical absorbing layer 21 on the walls of the chamber 2. This leads to a decrease in the signal of the photodetector 11 (Fig. 5), which makes it possible to register the phase transition temperature. The magnitude of the change in the signal of the photodetector 11, when conducting appropriate calibration, allows you to get information about the concentration of protein in the analyte. After the analysis, the analyte is removed from the chamber 2 through the microfluidic channel 7. In addition, additional information can be obtained from the measurement of the light scattering indicatrix of the analyte, for which the device may provide the possibility of analyzing light scattering at angles of 30, 45, 60 and 90 degrees. This allows you to record the presence of a new phase in the analyte, as well as determine the type of substance and its concentration.

Была изготовлена подложка из натриево-силикатного стекла. В подложке была выполнена камера в виде углубления круглой формы диаметром 2 мм и глубиной 0,5 мм и входной и выходной микрофлюидные каналы шириной 50 мкм и глубиной 50 мкм. Изнутри камера содержит светопоглощающий слой, представляющий собой слой стекла толщиной 20 мкм, содержащий наночастицы серебра. В подложке также были выполнены сообщающиеся с камерой каналы для установки оптических волноводов. Глубина каналов равна 130 мкм, ширина равна 130 мкм. Каналы и камера в подложке были изготовлены путем сканирования по заданной программе по поверхности стекла сфокусированного луча CO2 лазера. Оптический поглощающий слой изготовлен методом ионного обмена Ag+↔Na+ (A. Tervonen, B.R. West, S. Honkanen, Ion-exchangedglasswaveguidetechnology: areview // Opt. Eng. 50 071107, 2011). Для этого в камеру помещали смесь нитратов серебра и натрия, нагревали до температуры 340°C и выдерживали в течение 30 минут. После этого расплав солей удаляли, а подложку выдерживали при температуре 560°C в течение 60 минут. В результате в приповерхностном слое стекла толщиной 30 мкм внутри камеры сформировались наночастицы серебра, имеющие высокое поглощение в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. При этом стенки камеры остаются химически инертными по отношению к аналиту. В качестве оптических волноводов были использованы стандартные многомодовые оптические волокна из кварцевого стекла без полимерной оболочки. После установки волокон в соответствующие им каналы и их герметизации подложку сверху закрывали герметичной крышкой. Интерференционное покрытие, состоящее из пленок кремния толщиной 3 мкм и расположенной между пленками кремния пленки диоксида кремния 10 толщиной 5,5 мкм. Пленки изготовлены методом вакуумного напыления. Толщина пленок выбрана таким образом, что на длине волны 980 нм от интерференционного покрытия назад отражается не более 15%, а большая часть излучения проходит сквозь него. На фиг. 3 показаны спектральные зависимости коэффициента интерференционного покрытия при различных температурах. На фиг. 4 показана температурная зависимость коэффициента отражения интерференционного покрытия на длине волны 980 нм. Из фиг. 4 видно, что при изменении температуры от 20°C до 80°C коэффициент отражения увеличивается от 8% до 18%. Это позволяет контролировать температуру аналита путем контроля оптических характеристик отраженного сигнала излучения инфракрасного диапазона частот.A sodium silicate glass substrate was made. In the substrate, a chamber was made in the form of a round recess with a diameter of 2 mm and a depth of 0.5 mm and input and output microfluidic channels with a width of 50 μm and a depth of 50 μm. Inside the chamber contains a light-absorbing layer, which is a layer of glass with a thickness of 20 μm containing silver nanoparticles. Channels communicating with the camera for installing optical waveguides were also made in the substrate. The depth of the channels is 130 microns, the width is 130 microns. The channels and the camera in the substrate were made by scanning according to a given program on the glass surface of a focused beam of a CO 2 laser. The optical absorbing layer was fabricated by the Ag + ↔Na + ion exchange method (A. Tervonen, BR West, S. Honkanen, Ion-exchanged glasswaveguidetechnology: areview // Opt. Eng. 50 071107, 2011). For this, a mixture of silver and sodium nitrates was placed in the chamber, heated to a temperature of 340 ° C and held for 30 minutes. After that, the molten salt was removed, and the substrate was kept at a temperature of 560 ° C for 60 minutes. As a result, silver nanoparticles with high absorption in the visible and near infrared regions of the spectrum were formed inside the chamber in a 30-μm-thick surface layer of glass. In this case, the chamber walls remain chemically inert with respect to the analyte. As optical waveguides, standard multimode optical fibers made of quartz glass without a polymer sheath were used. After installing the fibers in their respective channels and sealing them, the substrate was closed from above with a sealed lid. An interference coating consisting of 3 μm thick silicon films and 5.5 μm thick silicon dioxide film 10 located between the silicon films. Films are made by vacuum deposition. The film thickness is chosen in such a way that at a wavelength of 980 nm from the interference coating, no more than 15% is reflected back, and most of the radiation passes through it. In FIG. Figure 3 shows the spectral dependences of the interference coating coefficient at various temperatures. In FIG. 4 shows the temperature dependence of the reflection coefficient of the interference coating at a wavelength of 980 nm. From FIG. Figure 4 shows that when the temperature changes from 20 ° C to 80 ° C, the reflection coefficient increases from 8% to 18%. This allows you to control the temperature of the analyte by monitoring the optical characteristics of the reflected radiation signal of the infrared frequency range.

Настоящее устройство для регистрации оптических параметров жидкого аналита имеет упрощенную по сравнению с прототипом конструкцию и обеспечивает более точное измерение температуры жидкого аналита в зоне детектирования. Дополнительным достоинством настоящего устройства является отсутствие в его конструкции металлических деталей, что исключает возможность химических реакций аналита при его контакте с элементами устройства.This device for recording the optical parameters of liquid analyte has a simplified design compared to the prototype and provides a more accurate measurement of the temperature of liquid analyte in the detection zone. An additional advantage of this device is the absence of metal parts in its design, which excludes the possibility of chemical reactions of the analyte in contact with the elements of the device.

Claims (9)

1. Устройство для регистрации оптических параметров жидкого аналита, включающее подложку, в толще которой сформированы камера, входной и выходной микрофлюидные каналы, сообщающиеся с камерой, источник оптического излучения видимого диапазона частот, оптически соединенный через камеру с первым фотоприемником, источник излучения ближнего инфракрасного диапазона частот и второй фотоприемник, при этом в устройство введен датчик температуры в виде пленочного интерференционного покрытия торца оптического волновода, расположенного в камере и снабженного Y-разветвителем, одна ветвь которого соединена с источником излучения ближнего инфракрасного диапазона, а другая ветвь соединена со вторым фотоприемником, а в стенках камеры у внутренних ее поверхностей сформирован светопоглощающий слой.1. A device for recording the optical parameters of a liquid analyte, including a substrate in the thickness of which a camera is formed, input and output microfluidic channels communicating with the camera, an optical radiation source of the visible frequency range, optically connected through the camera to the first photodetector, a near-infrared radiation source and a second photodetector, while a temperature sensor is introduced into the device in the form of a film interference coating of the end of the optical waveguide located in the camera e and provided with a Y-splitter, one branch of which is connected to a source of near infrared radiation, and the other branch connected to the second photodetector, and in the chamber walls at the inner surface thereof is formed a light-absorbing layer. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что подложка выполнена из химически инертного стекла.2. The device according to p. 1, characterized in that the substrate is made of chemically inert glass. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что пленочное интерференционное покрытие выполнено из последовательно нанесенных на торец оптического волновода чередующихся слоев полупроводника и диэлектрика толщиной 400-800 нм.3. The device according to claim 1, characterized in that the film interference coating is made of alternating layers of a semiconductor and an insulator 400-800 nm thick sequentially applied to the end of the optical waveguide. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что источник оптического излучения видимого диапазона частот выполнен в виде лазера.4. The device according to claim 1, characterized in that the optical radiation source of the visible frequency range is made in the form of a laser. 5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что источник оптического излучения видимого диапазона частот выполнен в виде лазерного диода.5. The device according to claim 1, characterized in that the optical radiation source of the visible frequency range is made in the form of a laser diode. 6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что светопоглощающий слой выполнен в виде слоя стекла, содержащего наночастицы металла.6. The device according to p. 1, characterized in that the light-absorbing layer is made in the form of a layer of glass containing metal nanoparticles. 7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что в качестве наночастиц металла использованы наночастицы серебра или никеля, или железа, или меди.7. The device according to claim 6, characterized in that silver or nickel, or iron, or copper nanoparticles are used as metal nanoparticles. 8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что содержит третий фотоприемник, оптически соединенный с источником оптического излучения видимого диапазона частот через первое полупрозрачное зеркало, установленное под углом 45° к продольной оси входного канала излучения видимого диапазона частот.8. The device according to p. 1, characterized in that it contains a third photodetector optically connected to the optical radiation source of the visible frequency range through the first translucent mirror mounted at an angle of 45 ° to the longitudinal axis of the input radiation channel of the visible frequency range. 9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что содержит четвертый фотоприемник, оптически соединенный с источником ближнего инфракрасного диапазона частот через второе полупрозрачное зеркало, установленное под углом 30° или 60° к продольной оси входного канала излучения видимого диапазона частот.9. The device according to claim 1, characterized in that it comprises a fourth photodetector optically connected to a source of the near infrared frequency range through a second translucent mirror mounted at an angle of 30 ° or 60 ° to the longitudinal axis of the input radiation channel of the visible frequency range.
RU2016122327A 2016-06-06 2016-06-06 Device for registration of optical parameters of liquid analyte RU2626299C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016122327A RU2626299C1 (en) 2016-06-06 2016-06-06 Device for registration of optical parameters of liquid analyte

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016122327A RU2626299C1 (en) 2016-06-06 2016-06-06 Device for registration of optical parameters of liquid analyte

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2626299C1 true RU2626299C1 (en) 2017-07-25

Family

ID=59495783

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016122327A RU2626299C1 (en) 2016-06-06 2016-06-06 Device for registration of optical parameters of liquid analyte

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2626299C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2702519C1 (en) * 2019-01-29 2019-10-09 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Device for detecting optical parameters of liquid analyte

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090051901A1 (en) * 2007-08-24 2009-02-26 Pao-Lin Shen Integrated microfluidic optical device for sub-micro liter liquid sample microspectroscopy
US20090185169A1 (en) * 2008-01-23 2009-07-23 Cranfield University Monofibre Optical Meter For Chemical Measurement
RU2398233C2 (en) * 2008-10-15 2010-08-27 Институт аналитического приборостроения Российской академии наук Device for estimating concentration of immuno-active objects in samples of biological liquids
WO2016025698A1 (en) * 2014-08-13 2016-02-18 The Trustees Of Columbia University In The City Of New York Diagnostic devices, systems, and methods

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090051901A1 (en) * 2007-08-24 2009-02-26 Pao-Lin Shen Integrated microfluidic optical device for sub-micro liter liquid sample microspectroscopy
US20090185169A1 (en) * 2008-01-23 2009-07-23 Cranfield University Monofibre Optical Meter For Chemical Measurement
RU2398233C2 (en) * 2008-10-15 2010-08-27 Институт аналитического приборостроения Российской академии наук Device for estimating concentration of immuno-active objects in samples of biological liquids
WO2016025698A1 (en) * 2014-08-13 2016-02-18 The Trustees Of Columbia University In The City Of New York Diagnostic devices, systems, and methods

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2702519C1 (en) * 2019-01-29 2019-10-09 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Device for detecting optical parameters of liquid analyte

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2804073B2 (en) Apparatus and method for measuring the refractive index of a substance
US5396325A (en) Optical sensor
US5082629A (en) Thin-film spectroscopic sensor
CN106596474B (en) Three-channel SPR sensor based on seven-core optical fiber
US20150198526A1 (en) Differential detection for surface plasmon resonance sensor and method
Schubert et al. Refractive-index measurements using an integrated Mach-Zehnder interferometer
Gupta et al. Absorption spectroscopy in microfluidic flow cells using a metal clad leaky waveguide device with a porous gel waveguide layer
Yin et al. Experimental study of dual-parameter SPR sensor with integrated sensing channel
Wang et al. Effect of the geometries of Ge-Sb-Se chalcogenide glass tapered fiber on the sensitivity of evanescent wave sensors
Sinchenko et al. The effect of the cladding refractive index on an optical fiber evanescent-wave sensor
Zhu et al. Partially gold-coated tilted FBGs for enhanced surface biosensing
JP2807777B2 (en) Optical absorption spectrum measuring device using slab optical waveguide
RU2626299C1 (en) Device for registration of optical parameters of liquid analyte
US20150253296A1 (en) Method for detecting analytes
Kim et al. Fiber-optic surface plasmon resonance for vapor phase analyses
US20180231459A1 (en) Lab-on-chip near-infrared spectrometer for label-free molecular analysis of a sample
Bürck et al. Integrated optical NIR-evanescent wave absorbance sensorfor chemical analysis
Al Mamun et al. Double clad fiber improves the performance of a single-ended optical fiber sensor
Tosi et al. Optical Fiber Biosensors: Device Platforms, Biorecognition, Applications
Matějec et al. Extrinsic fiber-optic sensor for detection of saliva pH
JP2004205415A (en) Photometric analysis measuring probe apparatus, solution concentration monitoring method and spectroscopic analysis apparatus
RU2702519C1 (en) Device for detecting optical parameters of liquid analyte
US20210310946A1 (en) System and Method of Measuring Contaminants in a Substantially Translucent Material, Such as Water
Bello et al. Near Infrared Absorption Spectroscopy in Microfluidic Devices with Selectable Pathlength
JP3702340B2 (en) Refractive index measurement method