基於有源微管的諧振式光微流體傳感裝置和方法
2023-07-12 02:09:16 2
專利名稱：基於有源微管的諧振式光微流體傳感裝置和方法
基於有源微管的諧振式光微流體傳感裝置和方法
技術領域：
本發明涉及各種基於光學微腔諧振傳感的技術領域，屬於光生物和化學傳感技術。背景技術：
基於微諧振光學傳感技術的無標記生物傳感器直接測量分子相互作用，能實現生物分子相互作用的實時觀察，由於無需待測分析物具有螢光，特徵吸收或散射帶等特殊性質，測量對象範圍大大擴展，可探測毒素，蛋白質，DNA，甚至整個細胞行為，從而為醫學診斷，藥品研製，食物監測，環境監測等領域提供了有力的分析工具。
光微諧振腔利用全反射將光約束在微腔內，產生回音壁諧振模(Whisper GalleryMode, WGM)。由於是全反射，洩漏損耗非常小，因而光微諧振腔可以很小的尺寸獲得很高的Q值，Q值可高達10'當附在微腔表面的待測物濃度引起折射率變化時， 諧振腔的有效折射率將產生變化，從而引起諧振波長漂移。通過檢測波長漂移，即可檢測出待測物濃度變化。球形、環形和柱形是光微諧振腔的常見幾何形狀。如2002年， F. Vollmer利用光微諧振腔的高Q值，基於微球提出一種新型生物傳感器(F. Vollmer, D. Braun,A.Libchaber, 「Protein detection by optical shift of a resonant microcavity, 」 Applied PhysicsLetters, 2002, 80 (21) : 4057-4059),微球腔理論上具有最高的品質因子，但固定夾持困難，不容易實現集成。基於平面光波導技術的微環和微盤可採用集成光學光刻的方式製作，易於大規模集成，因此基於微環(如A. Ksendzov, Y. Lin, 「Integrated optics ring-resonator sensorsfor protein detection,，，Optics Letters, 2005, 30 (24) : 3344-3346 ；Yalcin, A. Popat，K. C. Aldridge, J. C. , et al. , "Optical sensing of biomolecules using microring resonators, ^IEEEJournal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2006，12 (I) : 148-155)、微盤諧振腔 (如 E. Krioukov, D. J. W. Klunder, A. Driessen, J. Greve, and C. Otto, 〃Sensor based on an integratedoptical microcavity, "Opt. Lett. 2002, 27，512—514)的光學傳感器的研究工作得到較多關注。但是，光刻產生的微腔表面不光滑，大幅度降低了微腔Q值，嚴重影響了探測裝置的靈敏度。D. K. Armani等通過對微盤進行回流處理(D. K. Armani, T. J. Kippenberg, S. M. SpiIlance, k. J. Vahala, ^Ultra high Q toroid microcavity on a chip, "Nature, 2003, 421:925-928)，使微腔Q值得以超過107，利用該微諧振腔，該課題組的 Andrea M. Armani等進一步成功地實現了對單個生物分子的探測(Andrea M. Armani, Rajan P. Kulkarni, Scott E.Fraser, RichardC. Flagan, Kerry J. Vahala, 〃Lable_free, single-m olecule detection with optical microcavities, "Science, 2007，317:783-787),充分證明了光微諧振腔生物傳感器的靈敏度優勢。但為了使微諧振腔與待檢測分子能夠相互作用，這些傳感器均需要另外設計製作分立的樣品池或樣品通道，使得整個傳感系統實現複雜。採用微管技術的微諧振腔傳感器可實現樣品傳送通道和傳感通道的合二為一，大大簡化傳感器結構並提高可靠性(如 I. M. White, H. Oveys, andX. Fan, ^Liquid-core optical ring-resonator sensors, "Opt. Lett. ,2006,31, 1319-1321)。
但諧振腔的無源本質使得光信號微弱，研究人員開始考慮採用有源的方式提高 信號(如，L. He, K. Zdemir, J. Zhu, W. Kim, L. Yang, "Detecting single viruses and nanoparticlesusing whispering gallery microlasers. "Nature Nanotechnology,2011，6(7) :428-432)，但以往的方法是基於溶膠凝膠法，在微盤上塗覆一層增益介質薄膜構成WGM有源腔，製作複雜，不容易保持一致性，且樣品輸送困難。因此要實現生物和化學高靈敏度檢測，需要設計新型的有源光微流體傳感裝置。
發明內容本發明旨在提出一種基於有源微管的光微流體傳感裝置和方法。該傳感裝置包括
泵浦光源採用980nm雷射器，為有源微管提供泵浦光，以實現微管內部摻雜介質的粒子數反轉分布，光源單模輸出功率(T850mw。
輔助定位光源採用650nm半導體雷射光源，用作定位泵浦光耦合位置的參考光源。
光纖耦合器用於將泵浦光源和輔助定位光源所發出的光合成一束並傳輸到準直擴束裝置中。
準直擴束裝置用於對光纖耦合器傳輸過來的光進行準直擴束，形成平行光。
角度調節臺準直擴束裝置安裝在角度調節臺標有刻度的半圓形軌道上。通過改變準直擴束裝置在軌道上的位置改變入射光的角度，進而選擇泵浦光的模式。
耦合稜鏡準直擴束裝置中出射的平行光以一定角度射入耦合稜鏡表面並發生全反射，全反射時產生的倏逝波耦合進入有源微管中，有源微管與稜鏡端面平行且間距在 50 100nm之間。
有源微管安裝在有源微管夾持架上，耦合稜鏡全反射產生的倏逝波耦合進入有源微管中。微管成分為摻有增益介質的石英，一般有摻鉺、摻鐿、鉺鐿共摻三種摻雜方式。有源微管一方面作為產生雷射的諧振腔和工作介質，在該有源微管管壁內，滿足諧振條件的光波長形成穩定的能量分布模式(回音壁諧振模式，WGM)，並在微管內表面附近形成倏逝場以進行光微流體傳感；另一方面還作為樣品的輸送通道，在微管內腔中輸送待測樣品。
有源微管夾持架用於夾持有源微管，並調節與耦合稜鏡的耦合距離。
聚焦裝置有源微管中出射的信號光被聚焦裝置收集並輸入到光譜分析裝置，聚焦裝置安裝在角度調節臺的半圓形軌道上。
光譜分析裝置用於分析出射的雷射光譜，通過檢測光譜中諧振峰的漂移量，實現對待測樣品濃度的檢測。
一種基於有源微管的諧振式光微流體傳感方法，其特徵在於該方法的具體過程如下
第I、泵浦光源和輔助定位光源發出的光通過光纖耦合器入射到準直擴束裝置，準直擴束後形成平行光入射到耦合稜鏡上；
第2、通過調節準直擴束裝置在角度調節臺上的位置改變入射角，調節時利用輔助定位光源形成的光線和光斑確定調節量。
第3、泵浦光通過耦合稜鏡耦合進入摻有增益介質的有源微管中，泵浦激發實現增益介質粒子數反轉，滿足回音壁諧振模條件且在增益譜內的光在其中不斷放大，最終形成雷射振蕩。通過在有源微管內壁固化生物檢測試劑，當被檢測生物分子流過時，與檢測試劑發生的反應將改變內壁表面折射率，有源微管回音壁諧振模的諧振波長將發生漂移，導致輸出雷射波長漂移。
第4、形成的雷射通過耦合稜鏡耦合出射，被聚焦裝置匯聚收集並傳入到光譜分析裝置，測出雷射諧振波長的變化，從而計算出折射率的變化，根據折射率與生物分子濃度的關係，最終分析出生物化學微流體濃度和反應信息。
在所述的裝置中，構成光微流體諧振腔的有源微管是在石英管中進行摻雜增益介質後拉制而成，摻雜增益介質介質方式包括摻鐿、摻鉺及鉺鐿共摻三種方式，摻鉺濃度在100(T3000ppm，摻鐿濃度在200(Tl0000ppm，有源微管外徑在20 μ πΓ400 μ m，壁厚在 I μ πΓ50 μ m,耦合稜鏡採用高折射率光學材料製作，如重火石玻璃ZF13。
本發明的主要特點是採用有源光微流體諧振腔，通過增益介質的放大作用，克服了本徵吸收、散射和生物化學微流體的吸收等損耗因素，使得傳統依賴於吸收下陷譜線的探測模式轉變為更加尖銳的雷射譜線，提高傳感器的探測極限能力，實現了雷射諧振腔、傳感通道和流體傳送通道的一體化，減小了傳感器的體積。
本發明的優點和積極效果
I.採用有源微管構建光微流體傳感裝置。在泵浦光的作用下，通過有源微管增益介質的放大作用，克服了本徵吸收、散射和生物化學微流體的吸收等損耗因素，使得傳統依賴於吸收下陷譜線的探測模式轉變為更加尖銳的雷射譜線，提高傳感器的探測極限能力， 實現了雷射諧振腔、傳感通道和流體傳送通道的一體化，減小了傳感器的體積。
2.有源微管是在石英管中進行摻雜增益介質後拉制而成,摻雜方式包括摻鉺,摻鐿以及鉺鐿共摻，可採用摻雜光纖的成熟拉制工藝，便於批量製作。
3.泵浦光源的波長為980nm，而激發光的波長在101(Tll60nm和152(Tl565nm之間，兩者處於不同光波段，故信號光不受到泵浦光反射引起的雜散光影響。
圖I是基於稜鏡耦合的有源諧振式光微流體傳感裝置示意圖2是基於拉錐光纖耦合的有源諧振式光微流體傳感裝置示意圖3是傳統微管的吸收譜線示意圖4是有源微管的雷射譜線示意圖中I為泵浦光源，2為輔助定位光源，3為光纖耦合器，4為角度調整臺，5為準直擴束裝置，6為稱合稜鏡,7為有源微管夾持架,8為有源微管,9為聚焦裝置，10為光譜分析裝置，11為拉錐光纖，12為用作基質的生物檢測試劑，13為待測生物分子，14為吸收譜線， 15為雷射譜線。
具體實施方式
實施例I :基於稜鏡耦合的的有源諧振式光微流體傳感裝置
如圖I所示，該傳感裝置包括泵浦光源1，輔助定位光源2，光纖耦合器3，角度調整臺4，準直擴束裝置5，耦合稜鏡6，有源微管夾持架7，有源微管8，聚焦裝置9，光譜分析裝置10。
泵浦光源I與輔助定位光源2輸出的光入射到光纖耦合器3中併合成一束，再經過準直擴束裝置5形成平行光，通過角度調整臺4調整入射角後入射到耦合稜鏡6上，在耦合稜鏡6的底面發生全反射並在全反射點產生倏逝波，倏逝波耦合進入到與稜鏡底面平行且相距5(Tl00nm之間的有源微管8中，滿足回音壁諧振條件的光波在有源微管8中經增益放大振蕩形成如圖4中所示的雷射，並再次經過耦合稜鏡6耦合後出射，出射光通過聚焦裝置9收集並將收集到的光譜信號送入光譜分析裝置10進行雷射波長測量。
實施例2 :基於稜鏡耦合的的有源諧振式光微流體傳感方法
如圖I所示，波長為980nm泵浦光源I與波長為650nm輔助定位光源2輸出的光利用光纖耦合器3合束，經過準直擴束裝置5形成平行光出射，通過調節準直擴束裝置5在角度調節臺4上的位置改變入射角，調節時利用輔助定位光源2形成的光線和光斑確定調節量，使光以大於全反射角的特定角度和光斑位置入射到耦合稜鏡6上，並在耦合稜鏡6的底面發生全反射。通過調節有源微管夾持架，使泵浦光與有源微管的距離在倏逝波作用的範圍之內，令光能量可以通過倏逝波耦合進入到有源微管8，進而有源微管內的增益介質可以被激發到上能級，形成粒子數的反轉，滿足產生雷射的條件。如圖3所示，有源微管8存在一系列回音壁諧振模，這些模式滿足回音壁諧振條件，因此可以在微管內形成駐波，進行多次振蕩。波長在有源微管8的增益譜內的光波可以被增益放大，如果同時滿足振蕩條件即是回音壁諧振模中的一個，則微管可以起到類似諧振腔的作用，使該模式得到充分放大並形成雷射。最終形成的光信號將再次通過耦合稜鏡6耦合出射，並由聚焦裝置9將光譜信號收集送入光譜分析裝置10進行雷射波長測量。
通過在有源微管8的內壁固化生物檢測試劑12，當被檢測生物分子13流過時，與檢測試劑發生的反應將改變內壁表面折射率，有源微管回音壁諧振模的諧振波長將隨著內壁表面折射率的變化發生漂移。因為滿足回音壁諧振條件且在增益譜波長區間內的模式才能形成雷射，所以輸出雷射譜線15也會隨內壁表面折射率的變化而發生漂移。通過測量雷射諧振波長的變化，就可以計算出有源微管內壁表面折射率的變化，根據折射率與生物分子濃度的關係，最終可分析出生物化學微流體濃度和反應信息。該方法使得傳統依賴於吸收下陷譜線14的探測模式轉變為更加尖銳的雷射譜線15，信噪比高，且譜線寬度窄，可大為提高傳感器的極限探測能力。
實施例3 :基於拉錐光纖耦合的有源諧振式光微流體傳感裝置和方法
如圖2所示，泵浦光源I輸出的光進入到拉錐光纖11中傳輸。拉錐光纖11細腰處直徑在空氣層中形成了倏逝波，泵浦光以倏逝波的方式耦合進入到有源微管8中， 使有源微管內的增益介質形成粒子數的反轉，滿足回音壁諧振條件且波長在有源微管8的增益譜內的光波被增益放大振蕩形成如圖4所示的雷射，雷射耦合輸入到拉錐光纖中，最終由光譜接收裝置10進行雷射波長分析。
通過在有源微管8的內壁固化生物檢測試劑12，當被檢測生物分子13流過時，與檢測試劑發生的反應將改變內壁表面折射率，有源微管回音壁諧振模的諧振波長將發生漂移，導致輸出雷射波長漂移。測出雷射諧振波長的變化，從而計算出折射率的變化，根據折射率與生物分子濃度的關係，最終分析出生物化學微流體濃度和反應信息。
權利要求
1.一種基於有源微管的諧振式光微流體傳感裝置，其特徵在於該傳感裝置包括 泵浦光源採用980nm雷射器，為有源微管提供泵浦光，以實現微管內部摻雜介質的粒子數反轉分布，光源單模輸出功率(T850mw ； 輔助定位光源採用650nm半導體雷射光源，用作定位泵浦光耦合位置的參考光源；光纖耦合器用於將泵浦光源和輔助定位光源所發出的光合成一束並傳輸到準直擴束裝置中； 準直擴束裝置用於對光纖耦合器傳輸過來的光進行準直擴束，形成平行光； 角度調節臺準直擴束裝置安裝在角度調節臺標有刻度的半圓形軌道上；通過改變準直擴束裝置在軌道上的位置改變入射光的角度，進而選擇泵浦光的模式； 耦合稜鏡準直擴束裝置中出射的平行光以一定角度射入耦合稜鏡表面並發生全反射，全反射時產生的倏逝波耦合進入有源微管中，有源微管與稜鏡端面平行且間距在50 100nm之間； 有源微管安裝在有源微管夾持架上，耦合稜鏡全反射產生的倏逝波耦合進入有源微管中；微管成分為摻有增益介質的石英，一般有摻鉺、摻鐿、鉺鐿共摻三種摻雜方式；有源微管一方面作為產生雷射的諧振腔和工作介質，在該有源微管管壁內，滿足諧振條件的光波長形成穩定的能量分布模式，並在微管內表面附近形成倏逝場以進行光微流體傳感；另一方面還作為樣品的輸送通道，在微管內腔中輸送待測樣品； 有源微管夾持架用於夾持有源微管，並調節與耦合稜鏡的耦合距離； 聚焦裝置有源微管中出射的信號光被聚焦裝置收集並輸入到光譜分析裝置，聚焦裝置安裝在角度調節臺的半圓形軌道上； 光譜分析裝置用於分析聚焦裝置收集的信號光光譜，通過檢測光譜中諧振峰的漂移量，實現對待測樣品濃度的檢測。
2.基於有源微管的諧振式光微流體傳感裝置，其特徵在於該傳感裝置採用摻雜微管作為光微流體諧振腔。
3.一種依據權利要求I所述裝置的基於有源微管的諧振式光微流體傳感方法，其特徵在於該方法的具體過程如下 第I、泵浦光源和輔助定位光源發出的光通過光纖耦合器入射到準直擴束裝置，準直擴束後形成平行光入射到耦合稜鏡上； 第2、通過調節準直擴束裝置在角度調節臺上的位置改變入射角，調節時利用輔助定位光源形成的光線和光斑確定調節量； 第3、泵浦光通過耦合稜鏡產生倏逝波，倏逝波耦合進入與稜鏡端面平行且相距IOOnm左右的有源微管中，泵浦激發實現增益介質粒子數反轉，滿足回音壁諧振模條件且在增益譜內的光在其中不斷放大，最終形成雷射振蕩。通過在有源微管內壁固化生物檢測試劑，當被檢測生物分子流過時，與檢測試劑發生的反應將改變內壁表面折射率，有源微管回音壁諧振模的諧振波長將發生漂移，導致輸出雷射波長漂移； 第4、形成的雷射再次通過耦合進入稜鏡中並且以一定角度出射，被聚焦裝置匯聚收集並傳入到光譜分析裝置，測出雷射諧振波長的變化，從而計算出折射率的變化，根據折射率與生物分子濃度的關係，最終分析出生物化學微流體濃度和反應信息。
全文摘要
基於有源微管的諧振式光微流體傳感裝置和方法包括泵浦和輔助定位光源，光纖耦合器，準直擴束、聚焦裝置，角度調節臺，耦合稜鏡，有源微管，夾持架和光譜分析裝置。泵浦光源為雷射提供泵浦光；準直裝置和耦合稜鏡用於使泵浦光耦合進入有源微管；有源微管是摻有增益介質的微管，構成雷射的諧振腔，同時也是傳感通道和待測流體傳送通道；聚焦裝置和光譜分析裝置用於收集和分析有源微管耦合出射的雷射，實現傳感。該傳感裝置採用有源微管作為光微流體諧振腔，實現了諧振腔、傳感通道和流體傳送通道的一體化，具有集成優點；同時利用摻雜增益介質產生雷射，大大減小光譜譜線寬度，提高了傳感器探測能力。該裝置能用於多種途徑，已有技術可批量生產。
文檔編號G01N21/41GK102980853SQ20121048553
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月23日 優先權日2012年11月23日
發明者江俊峰, 劉鐵根, 劉琨, 於哲, 姬強, 陳文杰, 劉文輝, 張晶, 張以謨 申請人:天津大學