基於pdms晶片的微流體可調諧光學濾波器的製造方法
2024-04-05 14:19:05
基於pdms晶片的微流體可調諧光學濾波器的製造方法
【專利摘要】一種光學檢測【技術領域】的基於PDMS晶片的微流體可調諧光學濾波器，包括：自發輻射光源、帶有雙微通道的PDMS微流體晶片、光譜儀以及兩組獨立工作的注射泵，微流體晶片的光入射端和出射端分別與自發輻射光源和光譜儀通過耦合光纖相連，微流體晶片的第一和第二流體注入端分別與兩組獨立工作的注射泵相連；本實用新型丁字型通道結構在注入液體時，其所需注液壓力小，液體不容易發生噴濺，性能穩定；兩種液體在水平通道上開始擴散互混，在縱向產生的液體折射率梯度明顯，靈敏度高等優點。本實用新型可在光流控晶片中集成，方便應用到生物及環境實時監測中方便取樣而不影響幹涉曲線的觀測和記錄，並且利於層流的穩定性，得到更穩定的信號。
【專利說明】基於PDMS晶片的微流體可調諧光學濾波器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及的是一種光學設備【技術領域】的器件，具體是一種基於PDMS (聚二甲基矽氧烷)晶片的微流體可調諧光學濾波器。
【背景技術】
[0002]光流控是光學和微流控技術的結晶。與傳統固體器件相比，微流體光學器件具有尺寸微型化、調諧多樣化、可集成性等優點，因此微流體器件也被稱為光學晶片或晶片實驗室(Lab on a chip)。其微分析系統使用的樣品試劑量極少、解析度和靈敏度高、成本低、分析時間短，可廣泛用於化學、生物、醫學的檢測分析以及光學和信息處理。微流體光學晶片可以以某種生物化學成分為基元，以光學信息為載體，對目標檢測物進行高選擇性和高靈敏度的檢測。它不僅促進集成光學的發展，也對分析儀器提供了更多更便攜化的功能。
[0003]微流控技術是在百十個微米或以下尺度的液體通道中操控微量(納升甚至飛升)液體的加工處理方法。因其優越的特點，已悄然成為一個新興獨特的研究領域。在這個尺度上，液體的特性以及相應的物理現象會有質的變化。進行兩相甚至多相流的操控是微流體系統的另一優點，在連續的液相流中產生和操控單分散體的氣泡或者液體，多相流的操控提供了產生聚合物顆粒、乳膠液和泡沫的新機制。微流控分析系統中所需的試劑和樣品極少，特別當實驗中涉及到生物有毒物質時，可以有效減少廢液帶來的汙染。傳統的基于波導器件的生化傳感器，通常對氣體、液體、生物大分子等進行檢測時，利用待分析樣本濃度的變化或免疫反應的改變波導包覆層的折射率，被光波的倏逝場所感應，引起導波層光波導模式有效折射率的變化，通過測量這個變化量可以得知待測物質的信息。
[0004]經過對現有技術的檢索發現，中國專利文獻號CN101699329A，授權公告日2011-01-05，記載了一種基於電潤溼技術的光流體濾波器，採用液滴驅動單元和法布裡-珀羅濾波單元。其中第一級濾波系統液滴驅動單元由控制電極、接地電極、底部玻璃板、頂部玻璃板、液體層和絕緣層組成；通過電壓來控制液滴和疏水層間的接觸角及不同側的表面張力，採用染料液滴作為濾波物質，利用幾級液滴驅動單元疊加以達到合適的帶寬和透過/吸收比。結合法布裡-珀羅腔可進行濾波範圍調諧。但該結構設計繁瑣，需採用染料液滴，使用高壓電極進行電驅動，並且在晶片上製作電極工藝複雜，因此不適於在微流控晶片中集成。
實用新型內容
[0005]本實用新型針對現有技術存在的上述不足，提出一種基於PDMS晶片的微流體可調諧光學濾波器，通過控制微流體通道中液體間的層流來調諧的微流體晶片。利用兩種不同折射率液體界面之間的擴散、液體濃度及流速的控制產生可調諧的折射率梯度分布，由此導致雙臂光程差的變化對幹涉儀進行調諧，從而達到光學濾波的目的。本實用新型結構簡化，可在光流控晶片中集成，方便應用到生物及環境實時監測中方便取樣而不影響幹涉曲線的觀測和記錄。另外，這種新型雙臂結構的設計也有利於層流的穩定性，得到更穩定的信號。
[0006]本實用新型是通過以下技術方案實現的:
[0007]本實用新型涉及一種基於TOMS晶片的微流體可調諧光學濾波器，包括:自發輻射光源、帶有雙微通道的PDMS微流體晶片、光譜儀以及兩組獨立工作的注射泵，其中:微流體晶片的光入射端和出射端分別與自發輻射光源和光譜儀通過耦合光纖相連，微流體晶片的第一和第二流體注入端分別與兩組獨立工作的注射泵相連。
[0008]所述的自發福射光源通過摻鉺光纖放大器放大，其波長範圍為1528nm-1573nm。
[0009]所述的微流體晶片包括:分別位於光入射端和出射端的空氣凹透鏡以及兩條帶有注入端和輸出端且相互連通的液體微通道，其中:液體微通道平行設置於空氣凹透鏡之間且中部設有隔斷部分。
[0010]所述的注射泵內分別裝有兩種不同液體，該注射泵與步進電機相連且注射精度為
0.1 μ L/min。
[0011]所述的隔斷部分的長度為300 μ m,最大寬度為30 μ m。
[0012]所述的液體微通道的寬度為125 μ m,深度為125 μ m,長度為1mm。
[0013]所述的微流體晶片內左右兩端設有寬度為128 μ m的方形截面光纖槽，使得插入導光光纖後光纖出射埠和會聚埠離空氣凹透鏡的距離在200 μ m。
[0014]所述的耦合光纖採用纖芯直徑為9 μ m、外徑為125 μ m的單模光纖，光纖的數值孔徑為0.14。
[0015]所述的光譜儀的解析度是0.02nm。
[0016]技術效果
[0017]與現有技術相比，本實用新型的技術效果包括:本實用新型通過兩層PDMS的膠合來實現內嵌式微通道簡化了光學晶片結構及其製作。本實用新型微通道結構的提高了濾波的靈敏度，避免了在實施中為了得到不同的折射率差值而頻繁更換液體類型的過程。可以實現對對液-液界面寬度以及位置的控制，微通道的設計可以使得液-液之間的層流更加穩定。利用新型微通道的設計以及液-液層流的控制實現了一種光流控晶片上的可調諧光學濾波器，並通過對微流體的控制實現可控的濾波效果。本實用新型的丁字型通道結構在注入液體時，其所需注液壓力小，液體不容易發生噴濺，性能穩定；並且兩種液體在水平通道上開始擴散互混，在縱向產生的液體折射率梯度明顯，靈敏度高等優點。在生物化學領域內，根據判斷波峰的位置，也可以用來作為檢驗兩種試劑反應程度的一個標準。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為本實用新型所用微流體晶片結構圖；
[0019]圖2為微流體可調諧光學濾波器示意圖；
[0020]圖3為實施例1測量得到的濾波圖樣。
【具體實施方式】
[0021]下面對本實用新型的實施例作詳細說明，本實施例在以本實用新型技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本實用新型的保護範圍不限於下述的實施例。
[0022]實施例1
[0023]如圖1所示，本實施例所述的基於PDMS晶片的微流體可調諧光學濾波器，包括:自發輻射光源1、帶有雙微通道的PDMS微流體晶片3、光譜儀5以及兩組獨立工作的注射泵6、7，其中:微流體晶片3的光入射端和出射端分別與自發輻射光源I和光譜儀5通過耦合光纖2、4相連，微流體晶片3的第一和第二流體注入端分別與兩組獨立工作的注射泵6、7相連。
[0024]所述的放大自發輻射光源I通過摻鉺光纖放大器放大，其波長範圍為1528nm-1573nm,由耦合光纖2進入微流體晶片3，經過微流體晶片3的光經過接收光纖4進入到光譜儀5中。
[0025]實施例中所用的液體分別由液體注射泵6和注射泵7獨立來控制。裝有液體的注射器置於注射泵的步進電機上，注入速度分別由兩個注射泵來精確調節。注射泵的精度為
0.1 μ L/min。液體通過微管道8和微管道9泵入微流體晶片3的兩個注入端。
[0026]如圖2所示，所述的微流體晶片3包括:分別位於光入射端10和出射端18的空氣凹透鏡11、17以及兩條帶有注入端12、13和輸出端16且相互連通的液體微通道，其中:液體微通道14平行設置於空氣凹透鏡11、17之間且中部設有隔斷部分15。
[0027]耦合光纖2出射端的發散光，經過空氣凹透鏡11聚焦後轉為平行光。耦合光纖2的出射埠離空氣凹透鏡距離為200 μ m。兩種不同液體分別由注入端12、13注入通過與入射光平行的液體微通道14。
[0028]所述的微流體晶片3內左右兩端設有寬度為128 μ m的方形截面光纖槽，其中插有外徑為125 μ m的單模光纖。
[0029]所述的液體微通道14在中段部分加寬，並在中部設有隔斷部分15分隔成上下兩個直通道。入射光沿著液體微通道14傳播，在隔斷部分15處一部分入射光通過直通道上半部分，另一部分入射光通過直通道的下半部分。兩種不同液體在液體微通道14中流動時互混擴散形成折射率梯度，通過控制它們的流速可以控制二者之間的界面。從而調諧入射光的幹涉。不同擴散程度的液體折射率梯度源於液體間的層流特性。
[0030]所述的隔斷部分15的作用就是用於穩定液-液的層流，優化濾波曲線的對比度。上下兩部分注入的液體不同且相互之間有擴散，因此上下兩部分的光將發生幹涉為:And= πιλ，其中:m= 1,2, 3...K, λ是入射光的波長，Λ η為介質的折射率差，d為傳播的距離，由此可見濾波曲線波峰的位置隨著折射率梯度的變化而變化。
[0031]通過液體微通道14的平行光再由第二個空氣凹透鏡17聚焦耦合進入接收光纖18，最後輸入到光譜儀中進行分析，濾波曲線可以通過光譜儀存儲記錄。
[0032]如圖3所示，為實際測量得到的幹涉曲線。分別對應去離子水和乙二醇在流速比為 10 μ L/min:20 μ L/min,40 μ L/min:5 μ L/min,50 μ L/min:3 μ L/min,60 μ L/min:3 μ L/min時的濾波曲線。通過控制兩種互混液體的擴散程度(流速比)可以對微型濾波器進行調諧，這是因為不同擴散程度引起的不同折射率梯度從而導致不同的光程差變化。本實用新型所製備的濾波器同樣可以探測到折射率差的微小變化，而且對樣品的折射率沒有限制。
【權利要求】
1.一種基於PDMS晶片的微流體可調諧光學濾波器,其特徵在於,包括:自發福射光源、帶有雙微通道的PDMS微流體晶片、光譜儀以及兩組獨立工作的注射泵，其中:微流體晶片的光入射端和出射端分別與自發輻射光源和光譜儀通過耦合光纖相連，微流體晶片的第一和第二流體注入端分別與兩組獨立工作的注射泵相連； 所述的微流體晶片包括:分別位於光入射端和出射端的空氣凹透鏡以及兩條帶有注入端和輸出端且相互連通的液體微通道，其中:液體微通道平行設置於空氣凹透鏡之間且中部設有隔斷部分。
2.根據權利要求1所述的可調諧光學濾波器，其特徵是，所述的自發輻射光源通過摻鉺光纖放大器放大，其波長範圍為1528nm - 1573nm。
3.根據權利要求1所述的可調諧光學濾波器，其特徵是，所述的注射泵內分別裝有兩種不同液體，該注射泵與步進電機相連且注射精度為0.1 μ L/min。
4.根據權利要求1所述的可調諧光學濾波器，其特徵是，所述的隔斷部分的長度為300 μ m,最大寬度為30 μ m。
5.根據權利要求1所述的可調諧光學濾波器，其特徵是，所述的液體微通道的寬度為125 μ m,深度為125 μ m,長度為1mm。
6.根據權利要求1所述的可調諧光學濾波器，其特徵是，所述的微流體晶片內左右兩端設有寬度為128 μ m的方形截面光纖槽,使得插入導光光纖後光纖出射埠和會聚埠離空氣凹透鏡的距離在200 μ m。
7.根據權利要求1所述的可調諧光學濾波器，其特徵是，所述的耦合光纖採用纖芯直徑為9 μ m、外徑為125 μ m的單模光纖，光纖的數值孔徑為0.14。
【文檔編號】B01L3/00GK203853094SQ201420204139
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年4月24日 優先權日:2014年4月24日
【發明者】鄒芸, 梁培斯, 黃曉春, 蔡能斌, 劉文斌, 蔡偉思, 糜忠良 申請人:上海市刑事科學技術研究院