CN108680532A - 基于光纤马赫-曾德尔干涉仪的生物传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于光纤马赫‑曾德尔干涉仪的生物传感器及其制作方法，用于检测生物组织溶液的浓度，解决了制作过程中制作人员较为危险，且生物传感器可靠度、灵敏度低的问题；其包括：微流芯片，微流芯片内开设有微流通道，微流芯片开设有进液口，进液口与微流通道连通；设置在微流通道内的光导组件，光导组件开设有MZ腔，MZ腔与微流通道连通；设置在微流芯片一侧的光源提供件；以及，设置在微流芯片一侧的光谱仪；光导组件的设置，避免了在制作生物传感器的过程中使用危险腐蚀液体，从而使制作人员安全得到了保障。

Description

基于光纤马赫-曾德尔干涉仪的生物传感器及其制作方法

技术领域

本发明属于生物传感器领域，尤其涉及一种基于光纤马赫-曾德尔干涉仪的生物传感器及其制作方法。

背景技术

马赫-曾德尔(Mach-Zehnder，MZ)干涉仪是一种干涉仪，可以用来观测从单独光源发射的光束***成两道准直光束后经过不同路径与介质所产生的相对相移变化。马赫-曾德尔干涉仪在众多领域具有广泛应用，其中一项应用就是基于MZ干涉仪的生物传感器。然而，现有的基于光纤MZ干涉仪的生物传感器存在诸多缺陷。在制作生物传感器的过程中，需要对光纤进行加工处理，有的加工方法需要利用有害腐蚀液体(如：氢氟酸等化学药剂)对光纤内部进行腐蚀以形成MZ腔，而这些腐蚀液体可能会对加工人员造成伤害，从而使用此加工方法对光纤进行加工处理存在极大的危险。

综合来看，现有的基于光纤MZ干涉仪的生物传感器在制作过程中，制作人员的安全得不到保障。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于光纤马赫-曾德尔干涉仪的生物传感器及其制作方法，旨在解决现有的基于光纤MZ干涉仪的生物传感器在制作的过程中，制作人员较为危险而使制作人员的安全得不到保障的问题。

为解决上述技术问题，本发明是这样实现的，一种基于光纤马赫-曾德尔干涉仪的生物传感器，其特征在于，包括：微流芯片，所述微流芯片内开设有微流通道，所述微流芯片开设有进液口，所述进液口与所述微流通道相连通；设置在所述微流通道内的光导组件，所述光导组件内开设有MZ腔，所述MZ腔与所述微流通道相连通；设置在所述微流芯片一侧的光源提供件，所述光源提供件与所述光导组件的一端相连接；以及，设置在所述微流芯片一侧的光谱仪，所述光谱仪与所述光导组件远离所述光源提供件的一端相连接。

通过采用上述技术方案，当使用基于光纤马赫-曾德尔干涉仪的生物传感器时，先将生物组织溶液从进液口注入微流通道内，并使生物组织溶液进入光导组件内的MZ腔，在光源提供件提供的光信号进入光导组件后，且当光信号进入MZ腔时，光信号同时进入生物组织溶液形成的干涉臂，以及光导组件自身形成的参考臂，在光信号经过MZ腔后，在光导组件内聚集，由于干涉臂及参考臂之间的光折射率存在差异，从而使光信号产生折射率差，从而产生光程差，形成干涉，最后光信号从出光口投射在光谱仪上，从而形成干涉光谱，在本发明中，使用光导组件代替了现有技术中的光纤，由于光导组件开设有MZ腔，故无需用氢氟酸等危险化学药剂对光导组件进行腐蚀，所以在制作生物传感器的过程中，使制作人员的安全性得到了保障，并且无需对光导组件进行拉锥处理，不仅能够减少制作成本，而且能够使光导组件的各部位直径保持一致，从而减少光损耗，提高了生物传感器的灵敏度，使生物传感器更加可靠。

进一步地，所述光导组件包括：第一光纤；设置在所述第一光纤一端的光导件，所述光导件内部开设有空腔，所述空腔为MZ腔；以及，设置在所述光导件远离所述第一光纤一端的第二光纤，所述第一光纤及所述第二光纤沿所述光导件对称设置。

进一步地，所述光导件包括：玻璃管，所述玻璃管的相对两端分别与所述第一光纤及所述第二光纤相熔接，所述玻璃管侧面开设有连通口，所述连通口两端分别向所述第一光纤及所述第二光纤延伸，且延伸至所述玻璃管相对的两端，所述MZ腔通过所述连通口与外界相连通；以及，填充于MZ腔内的填充件，所述填充件的直径小于所述MZ腔的直径，所述第一光纤及所述第二光纤熔接于所述玻璃管的一端均位于所述空腔的内壁上，且部分与所述填充件相接触。

进一步地，所述填充件及所述封闭件均为紫外固化胶，所述紫外固化胶的折射率为1.36。

通过采用上述技术方案，在用折射率为1.36的紫外固化胶填充玻璃管后，降低了本发明提供的生物传感器的折射率，使得本发明提供的生物传感器灵敏度为40000nm/RIU，而市场上常见的生物传感器灵敏度为10000nm/RIU，从而提高了生物传感器的灵敏度。

进一步地，所述玻璃管长度为100μm，所述玻璃管外径及内径分别为125μm及75μm。

进一步地，所述第一光纤及所述第二光纤为单模光纤纤芯。

进一步地，所述光源提供件用于提供宽带光源。

进一步地，所述微流芯片开设的进液口处设置有塑料软管。

进一步地，所述微流芯片开设有出液口，所述出液口与所述微流通道相连通，所述微流芯片一侧设置有废液收集装置，所述废液收集装置与所述出液口相连通。

一种基于光纤马赫-曾德尔干涉仪的生物传感器的制作方法，其特征在于，所述方法包括：将第一光纤与玻璃管的一端相熔接，并对玻璃管做精密切割处理，使玻璃管保留100μm的长度，随后在玻璃管的另一端熔接第二光纤；将玻璃管的一侧抛除，抛除厚度为40μm，从而在玻璃管上开设连通口，以使玻璃管内部的空腔与外界相连通；在玻璃管内填充紫外固化胶，并使紫外固化胶固化，且使固化后的紫外固化胶的直径小于玻璃管内的空腔直径；移除玻璃管内多余的紫外固化胶，以使玻璃管内部的紫外固化胶达到最佳干涉光强对比度；在微流芯片上制作微流通道，并开设进液口及出液口；将玻璃管、第一光纤及第二光纤置于微流通道内，并用紫外固化胶分别将微流通道两端的进光口及出光口封闭；将第一光纤远离玻璃管的一端与光源提供件相连接，将第二光纤远离玻璃管的一端与光谱仪相连接。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：通过采用玻璃管两端熔接光纤，然后从侧面抛磨开腔的方法代替现有技术中MZ干涉仪的生物传感器内的空腔，使玻璃管内的空腔作为MZ腔，从而无需采用氢氟酸等危险化学药剂对光纤进行腐蚀，所以在制作生物传感器的过程中，使制作人员的安全性得到了保障；并且通过使用折射率为1.36的填充件对玻璃管进行填充，使得本发明提供的生物传感器灵敏度为40000nm/RIU，为市场上的大多数生物传感器灵敏度的4倍，从而提高了现有技术中生物传感器的灵敏度。

附图说明

图1是本发明实施例基于光纤马赫-曾德尔干涉仪的生物传感器的结构示意图，并对微流芯片做剖视处理；

图2是本发明实施例基于光纤马赫-曾德尔干涉仪的生物传感器的微流芯片及光导组件的剖视图；

图3是本发明实施例基于光纤马赫-曾德尔干涉仪的生物传感器的模拟仿真波峰随折射率变化的漂移图。

在附图中，各附图标记表示：1、微流通道；101、注射器；102、光源提供件；103、进液口；104、出液口；105、废液收集装置；106、光谱仪；107、微流芯片；11、进光口；12、出光口；13、光导组件；131、玻璃管；132、连通口；14、封闭件；15、塑料软管；201、第一光纤；202、MZ腔；203、填充件；204、第二光纤。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种基于光纤马赫-曾德尔干涉仪的生物传感器，如图1及图2所示，包括：微流芯片107、光导组件13、封闭件14、光源提供件102及光谱仪106；微流芯片107内开设有微流通道1，微流通道1通过进光口11及出光口12与外界相连通，且微流芯片107开设有进液口103及出液口104；光导组件13设置在微流通道1内，且光导组件13内开设有MZ腔202，并且MZ腔202与微流通道1相连通，生物组织溶液通过进液口103进入微流通道1及MZ腔202内，并且生物组织溶液进入MZ腔202内后，作为生物传感器的干涉臂，部分光导组件13作为生物传感器的参考臂；封闭件14设置在微流芯片107上，用于在将光导组件13置于微流通道1内后，将出光口12及进光口11封闭，从而防止生物组织溶液从出光口12及进光口11流出微流芯片107，从而降低生物组织溶液对光导组件13造成负面影响的几率，同时能够防止生物组织溶液的浪费，以及降低生物组织溶液对微流芯片107腐蚀的几率；光源提供件102设置在微流芯片107开设进光口11的一侧，用于提供光源，为提高光源的光谱宽度，以提高生物传感器的测量灵敏度，在本实施例中，光源提供件102用于提供宽带光源；光谱仪106设置在微流芯片107开设出光口12的一侧，当光源提供件102提供的宽带光同时经过干涉臂及参考臂时，由于干涉臂及参考臂之间的光折射率存在差异，从而使宽带光产生折射率差，从而产生光程差，形成干涉，最后宽带光在光导组件13内聚集，并从出光口12投射在光谱仪106上，从而形成干涉光谱。

在本实施例中，微流通道1为直线通道，并且进光口11及出光口12相对称，这样设置，能够减少宽带光穿过微流芯片107需要的路程和时间，从而减少光损耗，提高生物传感器的探测灵敏度。

其中，光导组件13包括：第一光纤201、光导件及第二光纤204，第一光纤201及第二光纤204分别设置在光导件相对的两端，光导件内部开设有空腔，该空腔作为MZ腔202，填充件203填充于空腔内。

在本实施例中，第一光纤201及第二光纤204均为单模光纤纤芯，由于单模光纤纤芯在传输光信号时，具有低损耗及最小色散的优点，从而能够提高生物传感器的探测精度。

光导件包括：玻璃管131及填充件203；第一光纤201及第二光纤204熔接于玻璃管131相对的两端，玻璃管131内的腔室作为MZ腔202，在玻璃管131的侧面开设有连通口132，连通口132分别向第一光纤201及第二光纤204延伸，并且延伸至光导件相对的两端，MZ腔202通过连通口132与外界相连通；填充件203填充于MZ腔202内，作为生物传感器的参考臂，并且填充件203的直径小于空腔的直径，以便于生物组织溶液流入MZ腔而形成干涉臂。

在本实施例中，第一光纤201及第二光纤204熔接于玻璃管131的一端位于空腔的内壁上，并且部分与填充件203相接触，第一光纤201位于微流通道1的进光口11一侧，第二光纤204位于微流通道1的出光口12一侧，这样设置，在宽带光经过第一光纤201后，便于宽带光经过不同折射率的介质而产生光程差，从而形成干涉，在宽带光穿过玻璃管131后，在第二光纤204处汇合，已产生光程差的宽带光经过第二光纤204投射在光谱仪106上，从而形成干涉光谱。

如图2及图3所示，在本实施例中，填充件203及封闭件14均为紫外固化胶，紫外固化胶的折射率为1.36，当使用紫外固化胶作为填充件203时，使参考臂的折射率更加接近水溶液的折射率，从而降低了本发明提供的生物传感器的折射率，使得本发明提供的生物传感器灵敏度为40000nm/RIU，而市场上常见的生物传感器灵敏度为10000nm/RIU，从而提高了生物传感器的灵敏度。当使用紫外固化胶作为封闭件14时，由于紫外固化胶具有固化快、耗能少、无溶剂污染等优点，从而能够减少胶水固化的时间，减少能源的浪费，降低对生物组织溶液造成负面影响等。

在本实施例中，玻璃管131的长度为100μm，玻璃管131的内径及外径分别为125μm及75μm，玻璃管131开设的连通口132为抛除玻璃管131一侧40μm的厚度形成。

在微流芯片107的进液口103处设置有塑料软管15，塑料软管15的使用，能够更加便于将生物组织溶液导入微流通道1内，在本实施例中，使用注射器101以预定速度向塑料软管15注射生物组织溶液，以将生物组织溶液导入微流通道1。

在微流芯片107的出液口104处设置有废液收集装置105，在得到一份生物组织溶液的干涉光谱后，将微流芯片107内的生物组织溶液导入废液收集装置105内，并用乙醇清洗微流通道1及光导组件13，随后将乙醇导入废液收集装置105内，废液收集装置105的设置，能够暂时存储多次实验所产生的废液，从而防止实验人员每次实验都需要将废液投放至废液投放点，降低了实验人员的劳动强度，并减少了实验人员投放废液的时间，从而提高连续多次实验的效率。

本发明还提供了一种基于光纤马赫-曾德尔干涉仪的生物传感器的制作方法，上述方法包括：将第一光纤201与玻璃管131的一端相熔接，并对玻璃管131做精密切割处理，使玻璃管131保留100μm的长度，随后在玻璃管131的另一端熔接第二光纤204；将玻璃管131的一侧抛除，抛除厚度为40μm，从而在玻璃管131上开设连通口132，以使玻璃管131内部的空腔与外界相连通；在玻璃管131内填充紫外固化胶，并使紫外固化胶固化，且使固化后的紫外固化胶的直径小于玻璃管131内的空腔直径；移除玻璃管131内多于的紫外固化胶，以使玻璃管131内部的紫外固化胶达到最佳干涉光强对比度；在微流芯片107上制作微流通道1，并开设进液口103及出液口104；将玻璃管131、第一光纤201及第二光纤204置于微流通道1内，并用紫外固化胶分别将微流通道1两端的进光口11及出光口12封闭；将第一光纤201远离玻璃管131的一端与光源提供件102相连接，将第二光纤204远离玻璃管131的一端与光谱仪106相连接。

本发明提供的一种基于光纤马赫-曾德尔干涉仪的生物传感器及其制作方法，其工作原理或过程如下：在制作生物传感器时，先将光导组件13置于微流芯片107的微流通道1内，随后用紫外固化胶将微流通道1两端的进光口11及出光口12密封，然后将第一光纤201远离玻璃管131道的一端与光源提供件102相连接，将第二光纤204远离玻璃管131道的一端与光谱仪106相连接，从而使光源提供件102提供的宽带光能够通过第一光纤201、玻璃管131及第二光纤204而投射在光谱仪106上，随后将塑料软管15的一端固定在微流芯片107的进液口103处，使塑料软管15通过进液口103与微流通道1相连通，最后在微流芯片107的出液口104处安装废液收集装置105，从而完成生物传感器的制作，因此在制作的过程中，保障了制作人员的安全性。

当使用生物传感器时，先用注射器101抽取生物组织溶液，随后将注射器101与塑料软管15相连接，并在预定速率下通过塑料软管15及进液口103向微流通道1内注射生物组织溶液，在生物组织溶液进入微流通道1及MZ腔202后，启动光源提供件102，使光源提供件102提供宽带光，宽带光在第一纤芯内传输，当宽带光到达MZ腔202时，同时进入生物组织溶液形成的干涉臂，以及填充件203形成的参考臂，并在干涉臂及参考臂末端的第二光纤204处回合，由于干涉臂及参考臂之间存在折射率差，故宽带光产生光程差，形成干涉，并在宽带光投射在光谱仪106上后，形成干涉光谱，待光谱稳定后记录数据，随后换乙醇注入微流芯片107内，清洗微流通道1及MZ腔202，并将产生的废液导入废液收集装置105内，然后换另一种不同浓度的生物组织溶液注入微流通道1及MZ腔202内，并依次测试不同浓度的生物组织溶液的光谱图，通过在MZ腔202内填充折射率为1.36的紫外固化胶作为参考臂，使参考臂的折射率更加接近于水溶液的折射率，从而使本发明提供的基于光纤马赫-曾德尔干涉仪的生物传感器具有较高的探测灵敏度。

不同浓度的生物组织溶液的密度存在差异，从而在折射率方面存在差异，而不同浓度的生物组织溶液注入MZ腔202后，改变了干涉臂的折射率，从而导致干涉臂及参考臂之间的折射率差发生变化，从而使干涉光谱发生波长漂移，通过检测干涉光谱的波长漂移，能够间接检测出所测量的生物组织溶液的浓度变化，在使用本发明所提供的生物传感器后，使本发明提供的基于光纤马赫-曾德尔干涉仪的生物传感器具有较高的折射率灵敏度及较低的折射率探测极限，因此在探测生物组织溶液浓度方面也表现出优良传感特性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光纤马赫-曾德尔干涉仪的生物传感器，其特征在于，包括：微流芯片(107)，所述微流芯片(107)内开设有微流通道(1)，所述微流芯片(107)开设有进液口(103)，所述进液口(103)与所述微流通道(1)相连通；

设置在所述微流通道(1)内的光导组件(13)，所述光导组件(13)内开设有MZ腔(202)，所述MZ腔(202)与所述微流通道(1)相连通；

设置在所述微流芯片(107)一侧的光源提供件(102)，所述光源提供件(102)与所述光导组件(13)的一端相连接；以及，

设置在所述微流芯片(107)一侧的光谱仪(106)，所述光谱仪(106)与所述光导组件(13)远离所述光源提供件(102)的一端相连接。

2.根据权利要求1所述的基于光纤马赫-曾德尔干涉仪的生物传感器，其特征在于：所述光导组件(13)包括：第一光纤(201)；

设置在所述第一光纤(201)一端的光导件，所述光导件内部开设有空腔，所述空腔为MZ腔(202)；以及，

设置在所述光导件远离所述第一光纤(201)一端的第二光纤(204)，所述第一光纤(201)及所述第二光纤(204)沿所述光导件对称设置。

3.据权利要求2所述的基于光纤马赫-曾德尔干涉仪的生物传感器，其特征在于：所述光导件包括：

玻璃管(131)，所述玻璃管(131)的相对两端分别与所述第一光纤(201)及所述第二光纤(204)相熔接，所述玻璃管(131)侧面开设有连通口(132)，所述连通口(132)两端分别向所述第一光纤(201)及所述第二光纤(204)延伸，且延伸至所述玻璃管(131)相对的两端，所述MZ腔(202)通过所述连通口(132)与外界相连通；以及，填充于MZ腔(202)内的填充件(203)，所述填充件(203)的直径小于所述MZ腔(202)的直径，所述第一光纤(201)及所述第二光纤(204)熔接于所述玻璃管(131)的一端均位于所述空腔的内壁上，且部分与所述填充件(203)相接触。

4.根据权利要求3所述的基于光纤马赫-曾德尔干涉仪的生物传感器，其特征在于：所述填充件(203)为紫外固化胶，所述紫外固化胶的折射率为1.36。

5.根据权利要求3所述的基于光纤马赫-曾德尔干涉仪的生物传感器，其特征在于：所述玻璃管(131)长度为100μm，所述玻璃管(131)外径及内径分别为125μm及75μm。

6.根据权利要求2所述的基于光纤马赫-曾德尔干涉仪的生物传感器，其特征在于：所述第一光纤(201)及所述第二光纤(204)为单模光纤纤芯。

7.根据权利要求1所述的基于光纤马赫-曾德尔干涉仪的生物传感器，其特征在于：所述光源提供件(102)用于提供宽带光源。

8.根据权利要求1所述的基于光纤马赫-曾德尔干涉仪的生物传感器，其特征在于：所述微流芯片(107)开设的进液口(103)处设置有塑料软管(15)。

9.根据权利要求1所述的基于光纤马赫-曾德尔干涉仪的生物传感器，其特征在于：所述微流芯片(107)开设有出液口(104)，所述出液口(104)与所述微流通道(1)相连通，所述微流芯片(107)一侧设置有废液收集装置(105)，所述废液收集装置(105)与所述出液口(104)相连通。

10.一种基于光纤马赫-曾德尔干涉仪的生物传感器的制作方法，其特征在于，所述方法包括：

将第一光纤(201)与玻璃管(131)的一端相熔接，并对玻璃管(131)做切割处理，随后在玻璃管(131)的另一端熔接第二光纤(204)；

将玻璃管(131)的一侧抛除，从而在玻璃管(131)上开设连通口(132)，以使玻璃管(131)内部的空腔与外界相连通；

在玻璃管(131)内填充紫外固化胶，并使紫外固化胶固化，且使固化后的紫外固化胶的直径小于玻璃管(131)内的空腔直径；

移除玻璃管(131)内多余的紫外固化胶，以使玻璃管(131)内部的紫外固化胶达到最佳干涉光强对比度；

在微流芯片(107)上制作微流通道(1)，并开设进液口(103)及出液口(104)；

将玻璃管(131)、第一光纤(201)及第二光纤(204)置于微流通道(1)内，并用紫外固化胶分别将微流通道(1)两端的进光口(11)及出光口(12)封闭；

将第一光纤(201)远离玻璃管的一端与光源提供件(102)相连接，将第二光纤(204)远离玻璃管(131)的一端与光谱仪(106)相连接。