CN102519907A

CN102519907A - 反射型光纤-微流控芯片折射率传感器

Info

Publication number: CN102519907A
Application number: CN2011104231001A
Authority: CN
Inventors: 张磊; 方伟; 童利民
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2031-12-16
Also published as: CN102519907B

Abstract

本发明公开一种反射型光纤-微流控芯片折射率传感器。微流控芯片设有检测通道、入射光纤通道和出射光纤通道。在检测通道的同一侧设有入射光纤通道和出射光纤通道，入射光纤通道的光线出射口、出射光纤通道的光线入射口和检测通道相互间隔，且由入射光纤通道出射的光线经检测通道的侧壁反射后能够入射到出射光纤通道中。光纤与光纤通道相匹配，光纤端面与光纤通道端面齐平，光纤通过标准接口与外部光源和光强探测器相连。改变出射光纤通道与检测通道的夹角，可以调节此传感器的折射率检测范围。由于是反射型检测，此传感器可以检测不透明液体样品。因此，本发明能实现不同折射率范围的微量液体样品的折射率测量。

Description

反射型光纤-微流控芯片折射率传感器

技术领域

本发明涉及基于光纤和微流控芯片的传感器，特别是涉及折射率检测的微量液体生化传感器。

背景技术

微流控芯片是当今科学研究热点领域之一，在生命科学、化学、光学等领域具有广阔应用前景。由于微流控芯片通道尺度通常在数十至数百微米量级，能够大大降低样品消耗量，提高***集成度。目前使用的微流控芯片光学传感器通常依托于复杂的光路***或精密的加工技术，从而严重限制了其在临床医学诊断、环境监测和食品安全等领域的实际应用。

折射率是一种常用检测指标，通常用于没有荧光和特征光吸收的样品检测，例如蔗糖浓度的检测和无标记的生物样品检测。目前广泛使用的商品化便携式折射率检测仪器多采用棱镜作为检测元件，通过目镜人为读取折射率数值或仪表显示折射率数值，这一类型的折射率检测仪器的灵敏度通常在10^-3-10^-4折射率单位量级。在生命科学研究中使用的表面等离子体共振（SPR）分析仪其折射率灵敏度能达到10^-6折射率单位量级以上，但是其价格非常昂贵，体积较大，对样品要求高，难以适应现场快速检测的需求。

目前报道的微流控芯片折射率传感器多是在微流控芯片上集成谐振腔或微加工的干涉仪，通过测量光谱峰的移动信息，获取被测样品的折射率。典型的例子包括将微纳光纤制备的微环谐振腔与微流控芯片集成的折射率传感器；微加工的马赫-曾德干涉仪与微流控芯片集成的折射率传感器等。此类传感器不仅需要昂贵的加工设备和复杂的加工过程，而且难以保证每个传感器的性能的一致性，更重要的是其灵敏度依赖于外接光谱仪的分辨率。

通过测量光强变化是检测折射率的另一途径，例如包埋式的微纳光纤微流控芯片折射率传感器和光纤拉锥尖端折射率传感器等。样品折射率的变化将引起微纳光纤***倏逝场或光纤拉锥尖端光场分布的变化，从而导致输出光强信号的改变。这类传感器不需要依赖于昂贵的高分辨光谱仪，检测灵敏度可以达到10^-4折射率单位量级。但是，微纳光纤直径或拉锥光纤尖端外形的微小变化，会引起折射率传感器性能的显著变化，从而使得这一类型的传感器难以用于工业化的大规模生产。

近期，研究工作者报到了一种连续可调的光衰减器，该衰减器使用一根标准光纤将入射光引入微流控芯片，光线经过微透镜组准直后在微通道界面发生反射和折射，反射光经过另一透镜组射入一根出射光纤，通过调节微通道内溶液的折射率，出射光纤的输出光强随之变化。若将此光衰减器直接作为折射率传感器使用存在两个缺陷：第一，一个入射角度只能对应0.01-0.02折射率单位的敏感区，例如，当入射角为69°时，传感器只对折射率在1.33-1.34范围内的溶液折射率变化敏感；第二，在微流控芯片上集成微透镜需要昂贵的加工设备，加工成本高。

因此，研究一种结构简单、折射率检测范围宽的微流控芯片折射率传感器对于生命科学、环境监测和食品质量控制等领域的研究和发展都具有重要意义。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种结构简单的反射型光纤-微流控芯片折射率传感器。

本发明的目的之二是提供一种折射率检测范围连续可调的反射型光纤-微流控芯片折射率传感器。

为实现以上目的，本发明所采取的技术方案是：该反射型光纤-微流控芯片折射率传感器包括由透明材料制成的微流控芯片，微流控芯片的内部设有检测通道，在检测通道的同一侧设有入射光纤通道和出射光纤通道，入射光纤通道的光线出射口、出射光纤通道的光线入射口、检测通道相互间隔，且由入射光纤通道出射的光线经检测通道的侧壁反射后能够入射到出射光纤通道中，入射光纤通道和出射光纤通道内的光纤与各自的通道相匹配，入射光纤通道内的光纤的出射端的端面与入射光纤通道的光线出射口的端面齐平，出射光纤通道内的光纤的入射端的端面与出射光纤通道的光线入射口的端面齐平。

优选地，本发明从同一个入射光纤通道出射的光线经检测通道的侧壁反射后能够入射到一个以上出射光纤通道中。

优选地，本发明所述检测通道的所述侧壁垂直于该检测通道的底面。

优选地，本发明所述检测通道的横截面呈矩形。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：（1）根据菲涅尔公式可知，当光线在两种折射率不同的物质的界面发生发射和折射时，不同的入射角对应不同的折射率敏感范围。本发明在未对光线进行微透镜准直的情况下，通过入射光线经入射光纤通道内的光纤以一定的发散角射向检测通道的侧壁，从而获得了一组入射角连续变化的入射光线；而入射光线经过检测通道的侧壁反射后继续发散，因此，通过在不同的反射角度设置的一个或多个收集反射光的出射光纤通道内的光纤便可收集到不同入射光线所产生的反射光线，从而实现对不同折射率范围样品溶液的折射率检测。（2）本发明传感器可使用标准商用光纤，可与***光源、光强探测器无缝对接，实现实时检测和危险环境下的远距离传感，并且可以避免昂贵高分辨率光谱仪的使用。（3）本发明传感器结构简单，无需集成微透镜，因此不需使用昂贵的加工设备，加工过程简单和加工成本低，传感器的可重复性好，便于大规模生产。

附图说明

图1是本发明具有一个入射光纤通道和一个对应的出射光纤通道的反射型光纤-微流控芯片折射率传感器的结构示意图；

图2是本发明具有一个入射光纤通道和三个出射光纤通道的反射型光纤-微流控芯片折射率传感器的结构示意图；

图3是本发明传感器在光线的出射角为69°时，将不同折射率乙二醇溶液引入检测通道所测得的折射率测量工作曲线；

图4是本发明传感器在光线的出射角分别为71°、72°、74°时，将不同折射率乙二醇溶液引入检测通道所测得的折射率测量工作曲线。

图中：1－PDMS基片，2－平板玻璃基片，3-检测通道，4－入射光纤通道，5、5-1、5-2-出射光纤通道，6-入射光纤，7、7-1、7-2-出射光纤，8-光源，9－光强探测器，10-检测通道的溶液入口，11-检测通道的溶液出口，12-检测通道的反射区，13-入射光纤通道的光线出射口，14-出射光纤通道的光线入射口，15-入射光纤通道、出射光纤通道的光纤***口。

具体实施方式

以下以透明聚合物聚二甲基硅氧烷（PDMS）制作微流控芯片并使用商用单模光纤（外径125微米，芯径10微米）为例来说明本发明传感器的结构及其制备方法。需要说明的是，该实施例并非是对本发明技术方案的限制，本发明也可使用其他透明材料制作微流控芯片并使用其他光纤，与各通道和光纤有关的尺寸数值仅是为说明本发明之方便而使用，并不限于以下所举的具体数值。

具体地说，微流控芯片可采用SU-8阳模和折射率约为1.41的PDMS进行制备。首先根据PDMS的折射率和被测样品的折射率范围，依据如下所示的菲涅尔公式计算经入射光纤通道4射出的不同入射角的光线所对应的反射系数：

(1)

(2)

Figure 2011104231001100002DEST_PATH_IMAGE006

(3)

其中，θ为光线的入射角，n₁为微流控芯片材料的折射率，n₂为被测样品的折射率，r_s为s波的振幅反射系数，r_p为p波的振幅反射系数，

Figure 2011104231001100002DEST_PATH_IMAGE008

为入射光线的反射系数。

折射率变化相同时，反射系数变化越大，折射率检测灵敏度越高。因此，通过计算不同光线入射角对应的反射系数，可以优化不同折射率区间对应的光线入射角θ，从而获得入射光纤通道4和出射光纤通道5与检测通道3的夹角，确定本发明的传感器的结构。然后，根据本发明传感器的结构加工SU-8阳模。

在本发明传感器中，检测通道3利用其与入射光纤通道4和出射光纤通道5处于同一侧的侧壁反射光线；而入射光纤通道4和出射光纤通道5的作用是固定光纤，而入射光纤通道4和出射光纤通道5内的光纤则分别用于出射和收集光线。本发明对各通道的横截面形状并无特别限定，可以是矩形、三角形、梯形、圆形等。但对于检测通道3的用以将由入射光纤通道4出射的光线反射到出射光纤通道5中的侧壁而言，作为本发明的优选实施方式，该侧壁垂直于检测通道3的底面，这样可以保证光线在同一个平面上反射；进一步地，检测通道3的横截面优选为矩形。而当入射光纤通道4和出射光纤通道5的横截面为矩形时，在工艺上容易确保光纤端面与通道端面齐平。并且，在对SU-8阳模进行加工时，相对于其他的形状，将各通道的横截面加工为矩形更简单易行。

加工SU-8阳模时，SU-8阳模上对应于检测通道3、入射光纤通道4和出射光纤通道5的凸起部分垂直于阳模的底面，从而保证检测通道3的横截面为矩形，入射光纤通道4和出射光纤通道5的横截面为矩形。为了保证光线严格按照设计的入射和反射角度在微流控芯片内传播，入射光纤通道4和出射光纤通道5应分别与***其中的光纤相匹配，以使当光纤***入射光纤通道4和出射光纤通道5后，通道内的光纤相对于通道位置固定、不滑移。本实施例采用外径为125微米的商用单模光纤作为入射光纤和出射光纤，这时可将SU-8阳模与入射光纤通道和出射光纤通道对应的凸起部分的高度（对应于矩形横截面的长度）设计为130微米（该高度也可是其他尺寸，技术人员可根据情况自行确定，一般，高度比宽度的尺寸大）、宽度（即对应于矩形横截面的宽度）设计为125微米。由于本实施例中光纤的外径和与入射光纤通道和出射光纤通道对应的凸起部分的宽度均为125微米，因此入射光纤通道4和出射光纤通道5内的光纤不会在通道内滑移，实现相对固定。

将未固化的PDMS浇注在SU-8阳模上，在85℃的温度下固化30分钟，然后将其与SU-8阳模剥离，形成具有检测通道3、入射光纤通道4和出射光纤通道5的PDMS基片1，由于PDMS精确复制了SU-8阳模的构型，各通道的横截面均为矩形，各通道深度均为130微米，入射光纤通道4和出射光纤通道5的宽度为125微米。如图1所示，本发明微流控芯片由具有检测通道3、入射光纤通道4和出射光纤通道5等微通道的PDMS基片1和平板玻璃基片2经等离子体处理后键合而成，并且平板玻璃基片2的面积略大于PDMS基片1，以利于光纤在平板玻璃基片2上的固定。本实施例中，可将检测通道3的长度设计为1.5厘米，宽度设计为150微米（但不限于该尺寸），两端分别设有溶液入口10和溶液出口11；入射光纤通道4和出射光纤通道5的长度可设计约2厘米（但不限于该尺寸），入射光纤通道4和出射光纤通道5靠近检测通道3的一端分别为入射光纤通道4的光线出射口13和出射光纤通道5的光线入射口14，另一端与微流控芯片外部连通，为光纤***口15。

将商用单模光纤的一段3-4厘米的保护层剥去，然后采用光纤切割刀将光纤端面切割平整；分别将端面平整的入射光纤6和出射光纤7经光纤***口15***到入射光纤通道4和出射光纤通道5中，并使入射光纤通道4内的光纤的出射端的端面与入射光纤通道4的光线出射口13的端面齐平，出射光纤通道5内的光纤的入射端的端面与出射光纤通道5的光线入射口14的端面齐平。入射光纤6和出射光纤7紧贴平板玻璃基片2。

在光纤***口15处滴加未固化的PDMS作为密封胶，使其渗入光纤与光纤通道的间隙，在85℃的温度下固化30分钟，进一步固定光纤通道内的光纤，同时， PDMS 基片1外侧的入射光纤6和出射光纤7被PDMS固定于平板玻璃基片2的表面。

使用本发明传感器时，将露在微流控芯片外部的光纤通过裸光纤适配器分别与光源8和探测器9连接，采用注射泵注入或负压吸取的方式驱动溶液从溶液入口10流入检测通道3，经溶液出口11流出。溶液通过检测通道3的反射区12时，光强探测器9记录输出光强的变化，实现对被测样品溶液的折射率传感。

以下以反射角为69°的具有单根出射光纤的微流控芯片为例进一步说明此传感器的技术效果（参见图1）。

制备如图1所示的单根出射光纤的本发明传感器，其检测通道3的宽度为150微米，长度为1.5厘米，深度为130微米。入射光纤通道4和出射光纤通道5的宽度均为125微米，深度为130微米。入射角、反射角和出射角均为69°。采用外径为125微米，芯径约为10微米的商用单模光纤作为本发明传感器的入射光纤6和出射光纤7，入射光纤6通过裸光纤适配器与波长为633nm的氦氖激光器（光源8）相连，出射光纤7通过裸光纤适配器与光纤光谱仪（光强探测器9）相连。

首先将2微升蒸馏水滴在溶液入口10，在溶液出口11施加负压，使蒸馏水流入检测通道3，并经过反射区12，测量出射光纤7输出的反射光的光强（I₀）。然后将一系列乙二醇溶液按照折射率由低到高的顺序分别引入检测通道3，并测量相应的出射光纤7输出的反射光的光强（I），计算不同乙二醇溶液对应的反射光的归一化的透射率T（T=100%×I/ I₀）。乙二醇溶液折射率范围在1.33-1.42范围内的折射率与归一化的透射率的工作曲线如图3所示。不难看出，当出射角为69°时，折射率的敏感区是1.33-1.35。

作为本发明传感器的另一种实施方式，也可以是一个入射光纤通道与两个以上的出射光纤通道对应，使得从同一个入射光纤通道4出射的光线经检测通道3的侧壁反射后能够入射到多个出射光纤通道5中。以下以图2所示结构的本发明传感器进一步说明此传感器折射率敏感区连续可调的技术效果。图2中，一个入射光纤通道4与三个出射光纤通道5、5-1、5-2对应。

制备如图2所示的具有3根出射光纤的本发明传感器时，可设计检测通道3的宽度为150微米，长度为1.5厘米，深度为130微米。入射光纤通道4和出射光纤通道5、5-1、5-2的宽度均为125微米、深度为130微米。入射光纤的入射角为71°，出射光纤7-1、7、7-2的反射角分别为71°、72°和74°。采用外径为125微米、芯径为10微米的商用单模光纤通作为本发明传感器的入射光纤6和出射光纤7-1、7、7-2，入射光纤6通过裸光纤适配器与以波长为633nm的氦氖激光器（光源8）相连，三根出射光纤7、7-1、7-2依次通过裸光纤适配器与光纤光谱仪（光强探测器9）相连，每次测量一根出射光纤的信息。折射率范围在1.33-1.42范围内的3种反射角对应的乙二醇溶液折射率与反射光的归一化的透射率的工作曲线如图4所示。不难看出，随着反射角的增加，折射率的敏感区也向高折射率方向移动，而且具有相似的灵敏度。以反射角为72°的折射率工作曲线为例，当折射率从1.35变化到1.36时，透射率变化70%，折射率从1.35变化到1.351时，透射率变化30%，其对应的折射率灵敏度到达3×10^-5折射率单位。采用直径125微米的多模商用光纤代替直径125微米的单模光纤亦可实现折射率敏感区连续可调的技术效果，由于多模光纤能够收集的反射光线具有更宽的反射角范围，其折射率的灵敏度较单模光纤作为收集光纤的灵敏度低一个数量级。若采用较大直径的光纤作为入射光纤和出射光纤，不仅会导致折射率降低，还将导致微流控芯片通道的尺寸增加，从而导致样品消耗量的增加。

综上，本发明传感器的结构简单，折射率敏感区连续可调，根据不同的样品折射率范围可以选择不同的出射光纤进行测量。此外，本发明传感器的灵敏较普通商用折射率传感器的灵敏度提高了1-2个数量级，且本发明传感器的实际样品消耗仅为数微升，无论从样品消耗和灵敏度上都可满足临床医学检验，环境监测以及食品安全监测的需要。

Claims

1.一种反射型光纤-微流控芯片折射率传感器，其特征是：包括由透明材料制成的微流控芯片，微流控芯片的内部设有检测通道（3），在检测通道（3）的同一侧设有入射光纤通道（4）和出射光纤通道（5）等，入射光纤通道（4）的光线出射口（13）、出射光纤通道（5）的光线入射口（14）、检测通道（3）之间相互间隔，且由入射光纤通道（4）出射的光线经检测通道（3）的侧壁反射后能够入射到出射光纤通道（5）中，入射光纤通道（4）和出射光纤通道（5）内的光纤与各自的通道相匹配，入射光纤通道（4）内的光纤的出射端的端面与入射光纤通道（4）的光线出射口（13）的端面齐平，出射光纤通道（5）内的光纤的入射端的端面与出射光纤通道（5）的光线入射口（14）的端面齐平。

2. 根据权利要求1所述的反射型光纤-微流控芯片折射率传感器，其特征是:从同一个入射光纤通道（4）出射的光线经检测通道（3）的侧壁反射后能够入射到一个以上出射光纤通道（5）中。

3.根据权利要求1或2所述的反射型光纤-微流控芯片折射率传感器，其特征是: 所述检测通道（3）的所述侧壁垂直于该检测通道（3）的底面。

4. 根据权利要3所述的反射型光纤-微流控芯片折射率传感器，其特征是:所述检测通道（3）的的横截面呈矩形。