CN106706565A - 一种螺旋式光微流传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种螺旋式光微流传感器，专门用于微流体的传感测量。其构成方式是，将微纳光纤缠绕在环形微流通道周围，构成均匀的螺旋状周期性结构，利用瞬逝场的周期性作用激发出微纳光纤与同向微流波导之间的谐振耦合，在微纳光纤输出端透射光谱中可观察到明显的谐振峰。当微流成分发生改变时，微流波导的有效折射率发生变化，引起谐振波长产生漂移，通过对谐振波长的监测实现对微流成分变化的感测。光纤与石英毛细管分别组成完整的光信号通路和微流通路，可以实现生物、医学、化学等各种参量的高灵敏低浓度快速检测，且稳定性高、成本低、操作简单。

Description

一种螺旋式光微流传感器
技术领域
本发明涉及光学传感器技术领域，具体涉及一种螺旋式光微流传感器。
背景技术
光微流技术是将微流技术与光子学通过学科交叉与融合而产生的新型技术，是未来实现集成化、紧凑型的新型光源、可调谐光子器件及无标记型生化传感器的重要途径。光微流传感器的设计思想是，在设计光学传感结构时，考虑如何架构微流的进出通道，将光学结构与微流通道集成以构成光信号与微流相互作用的平台，并实现对微流生化成分变化的测量。光微流传感器结合了微流通道结构尺寸小、样品消耗量低、分析通量高等优点和光学检测手段的灵敏度高、响应速度快、灵活性高、功耗低等这两方面优势，在化学、生物、医学等方面的应用具有很好的发展潜力。
目前，实现光微流传感器的方式很多。利用光纤布拉格光栅对形成的F-P腔结构，在基底上构成与光纤导光方向垂直的微流通道，对流经F-P腔的液体进行实时监测。这种结构原理简单，制作相对容易，但由于受到空间稳定性的制约，其测量精度仅为2×10-3。光子晶体光纤内部多个空气孔为液体提供了天然的微流通道。将液体引入光纤内，通过对带隙漂移的测量，可实现极高灵敏度的折射率感测。多个微流通道流速的不均匀性可能引起测量误差，选择性填充，选取单一空气孔作为微流通道，避免了这一问题，但选择性填充难度较高，不易于操作。利用光纤的长度优势，可充分提升光与待测液体的相互作用强度，而最大不利因素是，光信号的路径与微流通道互相重合，难以兼顾光信号的低损耗与液体用量的低消耗。环形微流通道本身就是一个环形谐振腔，还有微环的三维拓展结构微管与微纳光纤组成的谐振腔，它们采用与微流流动方向垂直的微纳光纤，利用瞬逝场作用进行环形腔的激发。通过对透射谱中谐振峰漂移的观测，实现了微流通道中液体折射率的测量。然而，这种方案灵敏度有待进一步提升，且谐振激发效率取决于微纳光纤与微流通道之间的距离，其空间稳定性对传感用光信号具有较大影响。
以上各种光微流控传感器的实现方法都存在不同的优缺点，为了改善光微流传感器的监测能力，将其更进一步推向实用化，需要在原理和实现机制上进行改进和再设计。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种螺旋式光微流传感器，利用瞬逝场的周期性作用激发出微纳光纤与同向微流波导之间的谐振耦合，获得超高灵敏度、温度稳定性和结构紧凑性好的传感器。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种螺旋式光微流传感器，所述螺旋式光微流传感器包括微纳光纤和微纳石英毛细管，
其中，所述微纳石英毛细管包括第一石英毛细管端区1、第二石英毛细管端区5、第一微纳石英毛细管锥区2、第二微纳石英毛细管锥区4和微纳石英毛细管均匀区3，所述第一微纳石英毛细管锥区2和所述第二微纳石英毛细管锥区4分别位于所述微纳石英毛细管均匀区3的两端，所述第一石英毛细管端区1位于所述第一微纳石英毛细管锥区2的外端，所述第二石英毛细管端区5位于所述第二微纳石英毛细管锥区4的外端；
其中，所述微纳光纤包括第一光纤端区6、第二光纤端区10、第一微纳光纤锥区7、第二微纳光纤锥区9和微纳光纤均匀区8，所述第一微纳光纤锥区7和所述第二微纳光纤锥区9分别位于所述微纳光纤均匀区8的两端，所述第一光纤端区6位于所述第一微纳光纤锥区7的外端，所述第二光纤端区10位于所述第二微纳光纤锥区9的外端；
所述微纳光纤均匀区8均匀缠绕在所述微纳石英毛细管均匀区3上形成螺旋式的周期性结构，所述微纳光纤的其余各区与所述微纳石英毛细管的其余各区处处保持平行的相对位置关系。
进一步地，所述第一石英毛细管端区1和所述第二石英毛细管端区5分别用于微流体的导入和导出，经所述第一微纳石英毛细管锥区2、所述第二微纳石英毛细管锥区4和所述微纳石英毛细管均匀区3组成的微流通道形成完整的微流通道***。
进一步地，所述第一光纤端区6和所述第二光纤端区10分别用于光信号的输入或者输出，经所述第一微纳光纤锥区7和所述第二微纳光纤锥区9与螺旋状的所述微纳光纤均匀区8组成的光通路形成完整的光信号通路***。
进一步地，当所述第一光纤端区6与外部光源相连用于光信号的输入时，所述第二光纤端区10与光信号检测设备相连，用于输出信号的监测；当所述第二光纤端区10与外部光源相连用于光信号的输入时，所述第一光纤端区6与光信号检测设备相连，用于输出信号的监测。
进一步地，所述光信号检测设备包括光谱仪或者光电检测器。
进一步地，当所述第一石英毛细管端区1与进样器或者蠕动泵相连用于样品的进入时，所述第二石英毛细管端区5用于排出毛细管内剩余的样品；当所述第二石英毛细管端区5与进样器或者蠕动泵相连用于样品的进入时，所述第一石英毛细管端区1用于排出毛细管内剩余的样品。
进一步地，所述微纳石英毛细管与内部的微流体形成一个波导结构，并与螺旋状的所述微纳光纤相靠产生较强的瞬逝场作用，当微流成分发生改变时，微流波导的有效折射率发生变化，引起谐振波长产生漂移，通过对谐振波长的监测实现对微流成分变化的感测。
进一步地，所述微纳光纤和所述微纳石英毛细管分别由光纤与石英毛细管去除涂覆层以后熔融拉锥形成。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
本发明公开的一种螺旋式光微流传感器，专用于微流体的传感测量，具有灵敏度高、温度稳定性和空间稳定性好，结构紧凑的优点，可用于各种生物、医学、化学等参量的传感测量，成本低廉、操作方便。
附图说明
图1是本发明公开的一种螺旋式光微流传感器的结构示意图；
其中，1---第一石英毛细管端区，2---第一微纳石英毛细管锥区，3---微纳石英毛细管均匀区，4---第二微纳石英毛细管锥区，5---第二石英毛细管端区，6---第一光纤端区，7---第一微纳光纤锥区，8---微纳光纤均匀区，9---第二微纳光纤锥区，10---第二光纤端区。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
图1是本发明公开的一种螺旋式光微流传感器的结构示意图，如图1所示，一种螺旋式光微流传感器，由光纤与石英毛细管分别去除涂覆层以后熔融拉锥，形成具有一定尺寸的微纳光纤和微纳石英毛细管，将微纳光纤缠绕在微纳石英毛细管，形成的周期性结构。
微纳石英毛细管的结构包括第一石英毛细管端区1、第二石英毛细管端区5、第一微纳石英毛细管锥区2、第二微纳石英毛细管锥区4和微纳石英毛细管均匀区3，
微纳光纤的结构包括第一光纤端区6、第二光纤端区10、第一微纳光纤锥区7、第二微纳光纤锥区9和微纳光纤均匀区8，微纳光纤均匀区8缠绕在微纳石英毛细管均匀区3形成螺旋式的周期性结构，微纳光纤其余各区(第一光纤端区6、第二光纤端区10、第一微纳光纤锥区7、第二微纳光纤锥区9)与微纳石英毛细管其余各区(第一石英毛细管端区1、第二石英毛细管端区5、第一微纳石英毛细管锥区2、第二微纳石英毛细管锥区4)处处保持平行的相对位置关系，这样便形成了螺旋式光微流传感器。
微纳石英毛细管与内部的微流体形成一个波导结构，与螺旋状的微纳光纤相靠，结构紧密，产生较强的瞬逝场作用，在谐振波长处，螺旋状的微纳光纤中的光会被耦合到微流通道当中，在透射谱中形成损耗峰，由于螺旋状的微纳光纤的周期性结构，在特定波长处会得到显著增强，当微流成分发生改变时，微流波导的有效折射率发生变化，引起谐振波长产生漂移，通过对谐振波长的监测实现对微流成分变化的感测。
其中，第一光纤端区6和第二光纤端区10分别用于光信号的输入或者输出，经第一微纳光纤锥区7和第二微纳光纤锥区9与螺旋状的微纳光纤均匀区8组成的光通路形成完整的光信号通路***。
具体应用中，将第一光纤端区6或第二光纤端区10与外部光源相连用于光信号的输入，另一第二光纤端区10或者第一光纤端区6与光谱仪或者光电检测器等光信号检测设备相连，用于输出信号的监测，形成完整的光信号通路***。
其中，第一石英毛细管端区1和第二石英毛细管端区5分别用于微流体的导入和导出，经第一微纳石英毛细管锥区2、第二微纳石英毛细管锥区4和微纳石英毛细管均匀区3组成的微流通道形成完整的微流通道***。
具体应用中，将第一石英毛细管端区1或第二石英毛细管端区5与进样器或者蠕动泵相连，用于样品的进入，另一第二石英毛细管端区5或者第一石英毛细管端区1用于排出毛细管内剩余的样品，形成独立完整的微流通道***。
综上所述，本实施例公开了一种螺旋式光微流传感器，专用于微流体的传感测量，该传感器利用瞬逝场的周期性作用激发出微纳光纤与同向微流波导之间的谐振耦合，获得超高灵敏度、极好的温度稳定性和结构紧凑性，可用于各种生物、医学、化学等参量的传感测量，成本低廉、操作方便。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种螺旋式光微流传感器，其特征在于，所述螺旋式光微流传感器包括微纳光纤和微纳石英毛细管，
其中，所述微纳石英毛细管包括第一石英毛细管端区(1)、第二石英毛细管端区(5)、第一微纳石英毛细管锥区(2)、第二微纳石英毛细管锥区(4)和微纳石英毛细管均匀区(3)，所述第一微纳石英毛细管锥区(2)和所述第二微纳石英毛细管锥区(4)分别位于所述微纳石英毛细管均匀区(3)的两端，所述第一石英毛细管端区(1)位于所述第一微纳石英毛细管锥区(2)的外端，所述第二石英毛细管端区(5)位于所述第二微纳石英毛细管锥区(4)的外端；
其中，所述微纳光纤包括第一光纤端区(6)、第二光纤端区(10)、第一微纳光纤锥区(7)、第二微纳光纤锥区(9)和微纳光纤均匀区(8)，所述第一微纳光纤锥区(7)和所述第二微纳光纤锥区(9)分别位于所述微纳光纤均匀区(8)的两端，所述第一光纤端区(6)位于所述第一微纳光纤锥区(7)的外端，所述第二光纤端区(10)位于所述第二微纳光纤锥区(9)的外端；
所述微纳光纤均匀区(8)均匀缠绕在所述微纳石英毛细管均匀区(3)上形成螺旋式的周期性结构，所述微纳光纤的其余各区与所述微纳石英毛细管的其余各区处处保持平行的相对位置关系。
2.根据权利要求1所述的一种螺旋式光微流传感器，其特征在于，所述第一石英毛细管端区(1)和所述第二石英毛细管端区(5)分别用于微流体的导入和导出，经所述第一微纳石英毛细管锥区(2)、所述第二微纳石英毛细管锥区(4)和所述微纳石英毛细管均匀区(3)组成的微流通道形成完整的微流通道***。
3.根据权利要求1所述的一种螺旋式光微流传感器，其特征在于，所述第一光纤端区(6)和所述第二光纤端区(10)分别用于光信号的输入或者输出，经所述第一微纳光纤锥区(7)和所述第二微纳光纤锥区(9)与螺旋状的所述微纳光纤均匀区(8)组成的光通路形成完整的光信号通路***。
4.根据权利要求2所述的一种螺旋式光微流传感器，其特征在于，当所述第一光纤端区(6)与外部光源相连用于光信号的输入时，所述第二光纤端区(10)与光信号检测设备相连，用于输出信号的监测；当所述第二光纤端区(10)与外部光源相连用于光信号的输入时，所述第一光纤端区(6)与光信号检测设备相连，用于输出信号的监测。
5.根据权利要求4所述的一种螺旋式光微流传感器，其特征在于，所述光信号检测设备包括光谱仪和光电检测器。
6.根据权利要求3所述的一种螺旋式光微流传感器，其特征在于，当所述第一石英毛细管端区(1)与进样器或者蠕动泵相连用于样品的进入时，所述第二石英毛细管端区(5)用于排出毛细管内剩余的样品；当所述第二石英毛细管端区(5)与进样器或者蠕动泵相连用于样品的进入时，所述第一石英毛细管端区(1)用于排出毛细管内剩余的样品。
7.根据权利要求6所述的一种螺旋式光微流传感器，其特征在于，所述微纳石英毛细管与内部的微流体形成一个波导结构，并与螺旋状的所述微纳光纤相靠产生较强的瞬逝场作用，当微流成分发生改变时，微流波导的有效折射率发生变化，引起谐振波长产生漂移，通过对谐振波长的监测实现对微流成分变化的感测。
8.根据权利要求1至7任一所述的一种螺旋式光微流传感器，其特征在于，
所述微纳光纤和所述微纳石英毛细管分别由光纤与石英毛细管去除涂覆层以后熔融拉锥形成。
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