CN109900662A - 一种高灵敏光微流***物检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高灵敏光微流***物检测仪，属于传感技术领域。其具体方法如下：将待测溶液与有机发光染料混合，利用进样泵将液体样品吸入法布里‑珀罗谐振腔内的微流通道中，在脉冲泵浦光作用下，谐振腔提供光反馈，实现微流激光输出。先标定激光强度与DNT浓度之间的关系，再通过光谱仪测量输出激光强度，结合标定曲线，实现DNT检测。本发明将有机发光染料与光微流激光相结合，比传统的荧光传感具有明显优势。同时，本发明提供的光微流***物检测仪操作简单，成本低廉，测量灵敏度高，动态范围大，适用于微流控芯片内部的实时检测。

Description

一种高灵敏光微流***物检测仪

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种高灵敏光微流***物检测仪。

背景技术

***物对国家和社会安全构成巨大威胁，而***物及其反应物可溶于水或有机溶剂，对植物有毒，对人体健康也有害。因此，***物检测对防止安全威胁和环境污染具有重要意义。常见的***物通常含有硝基芳烃、1-3***(TNT)及其降解的化合物二硝基甲苯(DNT)。所以，面向安全和环境保护的***物检测主要针对TNT和DNT为检测对象。

荧光有机染料因其快速响应，低成本和易于合成的优点而在***物传感中备受关注。有机染料通过设计合成，可用于特定的待测物识别与传感。硝基苯类***物是缺电子的，当其与富含电子的荧光有机染料相互作用时产生荧光淬灭。到目前为止，已合成多种具有富电子共轭骨架的荧光染料，并将其用于实现硝基苯类***物检测的化学传感器。克服了传统的荧光***物传感器的灵敏度较低，动态范围小，检测下限高，不能满足高灵敏检测需求的问题。

另一方面，光微流技术近年来发展成为一种新型的高灵敏生化传感技术，到目前为止，未见光微流技术用于***物检测。

发明内容

本发明在背景技术中的基础上，设计并制作了一种光微流***物检测仪。该传感器具有结构简单、成本低廉、测量灵敏度高、动态范围大等特点。

一种光微流***物检测仪，包括样品检测部分和信号收集部分；样品检测部分包括：脉冲激光器(1)、会聚透镜(3)、反射镜(4)、微流通道(6)、法布里-珀罗谐振腔(7)、注射器(8)、进样泵(9)。

所述脉冲激光器(1)提供泵浦能量，输出脉冲泵浦光，经会聚透镜和反射镜照射在法布里-珀罗谐振腔上。所述法布里-珀罗谐振腔(7)包括上下平行设置的两块反射镜及两反射镜之间的支撑结构。所述微流通道包括方形毛细管及其两侧的圆形塑料软管，方形毛细管设置于谐振腔内，谐振腔为微流激光提供光反馈，并使得微流激光在谐振腔内来回多次反射，提高传感灵敏度。所述注射器(8)和进样泵(9)以匀速输送有机发光染料和待测溶液的混合液进出微流通道。所述脉冲泵浦光入射到法珀谐振腔内后，有机发光染料分子吸收脉冲泵浦光能量，发生受激辐射，产生激光传感信号输出。

信号收集处理部分包括：收集元件(5)、光纤(10)、光谱仪(11)、计算机(12)。所述收集元件(5)将收集到的激光传感信号耦合到光纤(10)中，激光传感信号沿光纤(10)传输到光谱仪，光谱仪(11)对激光信号进行处理，并将处理结果输出到计算机(12)。

其具体使用方法是：将待测溶液与有机发光染料混合，利用进样泵(9)将混合液输入法布里-珀罗谐振腔(7)内的微流通道中，在泵浦激光作用下，谐振腔提供光反馈，实现微流激光输出。预先标定激光强度与DNT浓度之间的关系，再通过光谱仪测量输出的微流激光强度，结合标定曲线，实现DNT检测。

合成的给体-受体-给体(DAD)有机发光染料，制备简易便捷，作为微流激光的增益介质形成激光输出，同时与待测DNT反应导致激光淬灭，并由法布里-珀罗谐振腔(7)放大淬灭效应，从而提高检测灵敏度。

所述法布里-珀罗谐振腔(7)可由两片平行设置的反射镜和支撑结构构成，反射镜之间夹持微流通道。也可通过在方形毛细管(6)外表面镀反射型介质薄膜实现紧凑型法布里-珀罗谐振腔(7)，如图2所示。

所述收集元件(5)包括会聚透镜、滤波片、空间光阑，光传感信号经空间光阑滤除荧光背景，然后由会聚透镜聚焦，经滤波片滤除泵浦光，再耦合进光纤。

所述进样泵(9)输送待测溶液与有机发光染料的混合液进出微流通道，精度高，操作简单，且能有效控制检测样品的量。

本发明的有益效果：将新型发光材料应用于光微流激光，与传统的荧光传感相比具有明显的优势。首先，由于激光中的法布里-珀罗谐振结构，微流激光比荧光检测方法更灵敏。其次，激光信号具有更窄的线宽和更好的方向性，所以收集检测光时能通过空间滤波、光谱选择等方法很好的滤除荧光背景的干扰。第三，光微流激光的强度比荧光强度高几个数量级，可实现更大的检测范围。同时，本发明高灵敏光微流***物检测仪集成了发光增益材料、光学谐振器和微流通道，实现了小体积的片上***物传感器。

附图说明

图1为本发明提供的光微流***物检测仪的结构示意图。

图2为本发明提供的光微流***物检测仪的不同法布里-珀罗谐振腔的截面图。

图3为本发明提供的光微流***物检测仪的有机发光染料分子结构图。

图4为本发明提供的光微流***物检测仪的微流激光阈值曲线。

图5为本发明提供的光微流***物检测仪的关于***物DNT的传感曲线。

其中，(1)：脉冲激光器，(2)：可调衰减片，(3)：会聚透镜，(4)：反射镜，(5)：收集元件，(6)：方形毛细管，(7)：法布里-珀罗谐振腔，(8)：注射器，(9)：微量进样泵，(10)：光纤，(11)：光谱分析仪，(12)：计算机。

具体实施方式

实施例1：

本实施例提供一种光微流***物检测仪，包括样品检测部分和信号收集两个部分。所述样品检测部分包括：脉冲激光器(1)、可调衰减片(2)、会聚透镜(3)、方形毛细管(6)、法布里-珀罗谐振腔(7)、注射器(8)、进样泵(9)。通过方形毛细管(6)以及两侧连通的圆形塑料软管形成微流通道，再将方形毛细管与支撑结构一起放到两片反射镜构成的法珀谐振腔(7)之间，然后调节法珀谐振腔(7)的位置，使得会聚的脉冲泵浦光入射到法珀谐振腔内。所述信号收集处理部分包括：收集元件(5)、光纤(10)、光谱仪(11)、计算机(12)。将收集到的激光传感信号耦合到光纤(10)中，并沿光纤(10)传输到光谱仪中，记录其光谱。

一种光微流***物检测仪的制作及使用方法，具体包括以下步骤：

步骤1：搭建法布里-珀罗谐振腔(7)

将两根塑料软管连接至方形毛细管(6)两端，缝隙用紫外胶填充并固化，形成微流通道。两片反射镜通过支撑结构设置构成法珀谐振腔，方形毛细放置于法珀谐振腔内。也可通过在方形毛细管(6)外表面镀反射型介质薄膜实现紧凑型法布里-珀罗谐振腔(7)，如图2所示

步骤2：称取5mg有机发光染料的粉末，加入酒精，混合均匀，配制0.5mM有机发光染料酒精溶液。

步骤3：将塑料软管一头接上空的注射器，另一头没入装有0.5mM有机发光染料的酒精溶液的离心管中。再设置微量进样泵参数：吸入速率20μL/min。

步骤4：打开脉冲激光器，调节可调衰减片，控制脉冲输出的脉冲泵浦光的能量在4.5μJ。

步骤5：打开光谱仪和计算机，记录有机发光染料的出射激光光谱。

步骤6：增加脉冲泵浦光的能量，重复上述4-5的实验步骤8-12次。

步骤7：记录光谱后将装有废液的注射器取下，换上另外一个装有酒精的注射器往微流通道中通入酒精约4～5分钟，保证通道的干净。再对记录的光谱进行处理，标定有机发光染料的阈值曲线，如图4所示。

实施例2：

本实施在实施例1的基础上做进一步限定，提供DNT检测的标定曲线测量方法。

DNT检测的标定曲线测量方法具体包括以下步骤：

步骤1：将塑料软管一头接上空的注射器，另一头没入装有待测DNT和有机发光染料的混合液的离心管中。再设置进样泵参数：吸入速率20μL/min。

步骤2：打开泵浦激光器，调节可调衰减片，保持输出的脉冲泵浦光能量不变，是有机发光染料的最佳出光强度的能量。

步骤3：打开光谱分析仪和计算机，记录混合液的出射激光光谱。

步骤4：记录光谱后将装有废液的注射器取下，换上另外一个装有酒精的注射器往微流通道中通入酒精约4～5分钟，保证通道的干净。

步骤5：改变混合液中DNT的浓度，重复上述1-4的实验步骤8-12次，再对光谱仪记录的光谱进行积分，计算积分强度，绘制DNT检测的标定曲线，如图5所示。

实施例3：

本实施在实施例2的基础上做进一步限定，提供实际样品中DNT浓度测量方法。

实际样品中DNT浓度测量方法具体包括以下步骤：

步骤1：将塑料软管一头接上空的注射器，另一头没入装有待测DNT和有机发光染料的混合液的离心管中。设置进样泵参数：吸入速率20μL/min。

步骤2：打开泵浦激光器，调节可调衰减片，使输出的脉冲泵浦光能量为测量DNT标定曲线时的能量。

步骤3：打开光谱分析仪和计算机，记录混合液的出射激光光谱。

步骤4：记录光谱后将装有废液的注射器取下，换上另外一个装有酒精的注射器往微流通道中通入酒精约4～5分钟，保证通道的干净。

步骤5：对光谱仪记录的光谱进行积分，计算积分强度，并与DNT检测的标定曲线相比较，即可得到实际DNT溶液的具体浓度。

Claims (8)

1.一种光微流***物检测仪，包括样品检测部分和信号收集部分；

样品检测部分包括：脉冲激光器(1)、会聚透镜(3)、反射镜(4)、微流通道(6)、法布里-珀罗谐振腔(7)、注射器(8)、进样泵(9)；

所述脉冲激光器(1)提供泵浦能量，输出脉冲泵浦光，经会聚透镜和反射镜照射在法布里-珀罗谐振腔上；

所述法布里-珀罗谐振腔(7)包括上、下平行设置的两块反射镜，谐振腔为微流激光提供光反馈，并使得微流激光在谐振腔内来回多次反射；

所述微流通道包括方形毛细管及其两侧的圆形塑料软管，其中，方形毛细管放置于谐振腔内；

所述注射器(8)和进样泵(9)以匀速输送有机发光染料和待测溶液的混合液进出微流通道；

所述脉冲泵浦光入射到法珀谐振腔内后，有机发光染料分子吸收脉冲泵浦光能量，发生受激辐射，产生激光传感信号输出；

信号收集处理部分包括：收集元件(5)、光纤(10)、光谱仪(11)、计算机(12)；

所述收集元件(5)将收集到的激光传感信号耦合到光纤(10)中，激光传感信号沿光纤(10)传输到光谱仪，光谱仪(11)对激光信号进行处理，并将处理结果输出到计算机(12)。

2.如权利要求1所述的一种光微流***物检测仪，其特征在于：法布里-珀罗谐振腔(7)的两反射镜之间设置有支撑结构。

3.如权利要求1所述的一种光微流***物检测仪，其特征在于：所述法布里-珀罗谐振腔(7)通过在方形毛细管(6)外表面镀反射型介质薄膜实现。

4.如权利要求1所述的一种光微流***物检测仪，其特征在于：所述收集元件(5)包括会聚透镜、滤波片、空间光阑，激光传感信号经空间光阑滤除荧光背景，然后由会聚透镜聚焦，经滤波片滤除泵浦光，再耦合进光纤。

5.如权利要求1所述的一种光微流***物检测仪，其特征在于：所述脉冲激光器(1)与会聚透镜(3)之间设置有可调衰减片，调节脉冲泵浦光输出能量。

6.如权利要求5所述的一种光微流***物检测仪，其特征在于：其标定有机发光染料的阈值曲线方法括以下步骤：

步骤1：称取有机发光染料的粉末，加入酒精，混合均匀，配制有机发光染料酒精溶液；

步骤2：将塑料软管一头接上空的注射器，另一头没入装有有机发光染料酒精溶液的离心管中；设置微量进样泵参数：吸入速率20μL/min；

步骤3：打开脉冲激光器，调节可调衰减片，控制脉冲输出的脉冲泵浦光的能量在4.5μJ；

步骤4：打开光谱仪和计算机，记录有机发光染料的出射激光光谱；

步骤5：增加脉冲泵浦光的能量，重复上述3-4的实验步骤8-12次；

步骤6：对记录的光谱进行处理，标定有机发光染料的阈值曲线。

7.如权利要求6所述的一种光微流***物检测仪，其特征在于：所述DNT检测的标定曲线测量方法包括以下步骤：

步骤1：将塑料软管一头接上空的注射器，另一头没入装有待测DNT和有机发光染料的混合液的离心管中；设置进样泵参数：吸入速率20μL/min；

步骤2：打开泵浦激光器，调节可调衰减片，保持输出的脉冲泵浦光能量是有机发光染料的最佳出光强度的能量；

步骤3：打开光谱分析仪和计算机，记录混合液的出射激光光谱；

步骤4：记录光谱后将装有废液的注射器取下，换上另外一个装有酒精的注射器往微流通道中通入酒精约4～5分钟，保证通道的干净；

步骤5：改变混合液中DNT的浓度，重复上述1-4的实验步骤8-12次，再对光谱仪记录的光谱进行积分，计算积分强度，绘制DNT检测的标定曲线。

8.如权利要求6所述的一种光微流***物检测仪，其特征在于：所述实际样品中DNT浓度测量方法具体包括以下步骤：

步骤1：将塑料软管一头接上空的注射器，另一头没入装有待测DNT和有机发光染料的混合液的离心管中；设置进样泵参数：吸入速率20μL/min；

步骤2：打开泵浦激光器，调节可调衰减片，使输出的脉冲泵浦光能量为测量DNT标定曲线时的能量；

步骤3：打开光谱分析仪和计算机，记录混合液的出射激光光谱；

步骤4：记录光谱后将装有废液的注射器取下，换上另外一个装有酒精的注射器往微流通道中通入酒精约4～5分钟，保证通道的干净；

步骤5：对光谱仪记录的光谱进行积分，计算积分强度，并与DNT检测的标定曲线相比较，即得到DNT溶液的具体浓度。