一种高折射率灵敏度光纤微流传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高折射率灵敏度光纤微流传感器及其制备方法，属于光纤技术与微流控技术领域。微流传感器包括传导光纤与上下层芯片复合结构，芯片上设有光纤沟槽、微流检测通道、进样口、出样口。将上层盖片与下层底片准确键合并嵌入传导光纤即可构建成完整的传感器。本发明专利技术的传感器具有结构简单坚固、实施构建过程方便、光谱可调谐、制备重复性高等优点，减轻了一般光纤微流芯片存在的结构复杂、固定不可调谐及构建的前期准备工作较为繁琐的问题所带来的负面影响。同时，本发明专利技术具有高折射率灵敏度的特性，基于折射率检查机理可实现对不同浓度生物样品的检测功能。

A High Refractive Index Sensitivity Optical Fiber Microcurrent Sensor and Its Preparation Method

The invention discloses a high refractive index sensitivity optical fiber microflow sensor and a preparation method thereof, belonging to the field of optical fiber technology and microfluidic technology. The microflow sensor consists of a composite structure of conductive optical fibers and upper and lower chips. The chip is equipped with an optical fiber groove, a microflow detection channel, a sample inlet and a sample outlet. A complete sensor can be constructed by incorporating the accurate keys of the upper cover and the lower negative into the conductive optical fiber. The sensor of the present invention has the advantages of simple and firm structure, convenient construction process, tunable spectrum and high preparation repeatability, and alleviates the negative effects caused by the complex structure, fixed and non-tunable and complicated preparation work of the general optical fiber microfluidic chip. At the same time, the invention has the characteristics of high refractive index sensitivity, and the detection function of different concentration biological samples can be realized based on the refractive index inspection mechanism.

【技术实现步骤摘要】
一种高折射率灵敏度光纤微流传感器及其制备方法
本专利技术涉及基于光纤干涉仪和微流控芯片的传感器
，具体涉及一种高折射率灵敏度光纤微流传感器及其制备方法。
技术介绍
基于光纤技术的传感器件有着绝缘屏蔽、小巧轻便、实时动态检测、快速响应等优点。在过去十几年里，面向生物医学诊断的需求，基于光纤的光学生物传感器得到快速发展与广泛应用。传统基于单一光纤传感器的器件有光纤倏逝波传感器、表面等离子体共振传感器、荧光猝灭传感器和光纤光栅传感器等，但都存在着结构不够紧凑坚固、制备重复性不高等问题，而生物传感器要对批次生物样品进行检测，这就对光学传感器的重复性和一致性提出了要求。因此，设计制备具有高结构鲁棒性、可重复制备的新一代光纤生物传感器件是现代光纤生物传感器要解决的关键问题之一。同时随着现代临床医学检验技术的发展，微型化、集成化也成为光纤生物传感器的新发展方向。微流控技术作为一门涉及化学、生物学和生物医学工程的新兴交叉学科，在光学传感领域有着广泛的应用前景。微流芯片使用微米量级的微型通道并外接或集成微阀与泵来精确操纵微小流体，大大降低了样品消耗量、集成了控制与分析等功能。传统光纤传感器器件可以结合微流控技术的优势，通过微流芯片装置方便地更换并操纵液体样品，通过光纤传感器件检测流体介质的光学特性，从而达到对不同浓度生物样品的响应，进而弥补了传统光纤生物传感领域在反应物用量、便携性、集成化、自动化等方面的短板。目前，有许多已报道的基于微流芯片与光纤器件的传感器结构，如专利号为CN200910039129.2的中国专利技术专利提出了一种光纤微流控传感器，包括毛细玻璃管与微纳光纤，以光纤细丝缠绕毛细玻璃管构建传感器结构；如专利号CN201110072375.5的中国专利技术专利提出了一种嵌入式微纳光纤微流控传感器，包括上下基片与微纳光纤，以光纤嵌入底片构建传感器结构。上述两种专利技术利用了微纳光纤的强倏逝场作为传感原理，能实现较高的灵敏度，但由于微纳光纤通常为亚波长直径，需要熔融拉伸光纤至极细状态，所以实现条件比较苛刻，制备重复性较低，构建难度较大，结构不坚固。为了提出结构更坚固，实现条件更简单的高灵敏度光纤微流控传感器，研究人员做了大量的工作。如J.M.Zhu等人报道的F-P腔反射吸收型光微流传感器(Zhu,J.M.,etal."OptofluidicmarinephosphatedetectionwithenhancedabsorptionusingaFabry–Pérotresonator."LabonaChip17.23(2017):4025-4030.)、I-CHENLIU等人报道的弯曲波导结构型光微流传感器(Liu,I-Chen,etal."Optofluidicrefractive-indexsensorsemployingbentwaveguidestructuresforlow-cost,rapidchemicalandbiomedicalsensing."Opticsexpress26.1(2018):273-283.)等。这些已报道的传感器件都有着较好的集成性、坚固性与较好的灵敏度检测实验结果，但在芯片结构上仍然较为复杂，结构固定不可调谐、构建的前期准备工作较为繁琐。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种高折射率灵敏度光纤微流传感器及其制备方法。该光纤微流传感器用于检测折射率和检测不同浓度生物样品。本专利技术中光纤微流传感器实现液体折射率传感的原理如下：本专利技术利用了马赫曾德干涉仪的光学原理，通过底层芯片与上层盖片的特殊结构组成干涉仪的传感臂与参考臂，从而实现对微流通道里液体的微弱折射率变化的传感。信号光由宽带光源从入射光纤端面输出后，光场被芯片特殊结构切割，在传播路径上一分为二，分别经过两种折射率不同的介质，一束经过下层芯片光纤沟槽非连通部分的聚二甲基硅氧烷介质，另一束经过微流通道内的流体介质。由于两束光所经过的几何路程相同而两介质的折射率不同，从而存在着光程差，也即相位差。当两束相干光耦合进收集光纤时产生干涉现象，可由光谱分析仪观察到透射干涉光谱。当更换微流通道内的液体样品时，由于介质折射率改变导致相干光相位差改变，干涉光谱中峰值波长会出现改变，且改变量与液体光学特性即折射率的变化量有关，从而实现了对对微流通道里液体的微弱折射率变化的传感。根据公开的实施例，本专利技术的第一方面公开了一种高折射率灵敏度光纤微流传感器，所示的传感器包括输入传导光纤C、收集传导光纤D、以及由芯片制作而成的上层盖片A和下层底片B，所述的上层盖片A和所述的下层底片B键合并嵌入输入传导光纤C和收集传导光纤D，构成复合结构；所述的下层底片B上设有一字型光纤沟槽2，中央部分设有300微米～330微米长的非连通区域，构成半台阶分振幅结构5；所述的上层盖片A上设有由微流检测通道1和光纤沟槽2构成的十字型交叉通道；所述的上层盖片A的光纤沟槽2与所述的下层底片B的光纤沟槽2构造相同且位置相对应但中央部分连通；所述的上层盖片A的微流检测通道1与光纤沟槽2垂直相交，当上层盖片A和下层底片B准确键合后其位于下层芯片B的半台阶分振幅结构5(即光纤沟槽2中央非连通区域)正上方，其头尾端设有进样口3与出样口4。进一步地，所述的光纤沟槽2均为宽为光纤直径，深为光纤半径，当上层盖片A和下层底片B准确键合后构成完整的矩形截面光纤沟槽。进一步地，所述的输入传导光纤C和所述的收集传导光纤D为两段端面切平的单模光纤。进一步地，所述的上层盖片A和所述的下层底片B的芯片材质为聚二甲基硅氧烷。进一步地，所述的上层盖片A和所述的下层底片B的长度相同、宽度相同、高度相同，且长宽高均为毫米量级。进一步地，所述的微流检测通道1设计为宽400～430微米，深62.5微米。根据公开的实施例，本专利技术的第二方面公开了一种高折射率灵敏度光纤微流传感器的制备方法，所述的制备方法包括下列步骤：首先准备传感器内嵌入的两端传导光纤，分别作为输入传导光纤C和收集传导光纤D，将两段单模光纤涂覆层剥去并切平端面；然后通过三维位移平台将这两段单模光纤分别嵌入下层底片B的半台阶分振幅结构5两侧的光纤沟槽2中，分别作为输入传导光纤C和收集传导光纤D；接着通过三维位移平台将上层盖片A与下层底片B准确键合，其中，上层盖片A的光纤沟槽2与下层底片B的光纤沟槽2准确对应键合，且上层盖片A的微流通道1恰好位于下层底片B的半台阶分振幅结构5的正上方。进一步地，所述的输入传导光纤C接入宽带光源，所述的收集传导光纤D接入光谱分析仪并根据检测样品需求调整设置光谱分析仪的参数。本专利技术相对于现有技术具有如下的优点及效果：(1)本专利技术包括一字型底片和十字型盖片，可见本专利技术的传感器芯片组成结构十分简单。本专利技术通过将两段端面切平的单模光纤嵌入光纤沟槽并使上下层芯片准确键合，从而得到完整的光纤微流传感器，不需要对光纤进行微纳拉伸、镀金等前期加工，可见本专利技术的构建过程十分简单方便。(2)本专利技术芯片上光纤沟槽宽为单模光纤直径、深为单模光纤半径，故当芯片盖合后能牢牢固定住嵌入其中的光纤，保证两段光纤端面一直处于对准状态，使得本专利技术的传感器结构相比传统的光纤传感器结构更加紧凑坚固。同时由于本专利技术下层底片与上层盖片上的沟槽本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高折射率灵敏度光纤微流传感器，其特征在于，所示的传感器包括输入传导光纤(C)、收集传导光纤(D)、以及由芯片制作而成的上层盖片(A)和下层底片(B)，所述的上层盖片(A)和所述的下层底片(B)键合并嵌入输入传导光纤(C)和收集传导光纤(D)，构成复合结构；所述的下层底片(B)上设有一字型光纤沟槽(2)，中央部分设有300微米～330微米长的非连通区域，构成半台阶分振幅结构(5)；所述的上层盖片(A)上设有由微流检测通道(1)和光纤沟槽(2)构成的十字型交叉通道；所述的上层盖片(A)的光纤沟槽(2)与所述的下层底片(B)的光纤沟槽(2)构造相同且位置相对应但中央部分连通；所述的上层盖片(A)的微流检测通道(1)与光纤沟槽(2)垂直相交，当上层盖片(A)和下层底片(B)准确键合后其位于下层芯片B的半台阶分振幅结构(5)正上方，其头尾端设有进样口(3)与出样口(4)。

【技术特征摘要】
1.一种高折射率灵敏度光纤微流传感器，其特征在于，所示的传感器包括输入传导光纤(C)、收集传导光纤(D)、以及由芯片制作而成的上层盖片(A)和下层底片(B)，所述的上层盖片(A)和所述的下层底片(B)键合并嵌入输入传导光纤(C)和收集传导光纤(D)，构成复合结构；所述的下层底片(B)上设有一字型光纤沟槽(2)，中央部分设有300微米～330微米长的非连通区域，构成半台阶分振幅结构(5)；所述的上层盖片(A)上设有由微流检测通道(1)和光纤沟槽(2)构成的十字型交叉通道；所述的上层盖片(A)的光纤沟槽(2)与所述的下层底片(B)的光纤沟槽(2)构造相同且位置相对应但中央部分连通；所述的上层盖片(A)的微流检测通道(1)与光纤沟槽(2)垂直相交，当上层盖片(A)和下层底片(B)准确键合后其位于下层芯片B的半台阶分振幅结构(5)正上方，其头尾端设有进样口(3)与出样口(4)。2.根据权利要求1所述的一种高折射率灵敏度光纤微流传感器，其特征在于，所述的光纤沟槽(2)均为宽为光纤直径，深为光纤半径，当上层盖片(A)和下层底片(B)准确键合后构成完整的矩形截面光纤沟槽。3.根据权利要求1所述的一种高折射率灵敏度光纤微流传感器，其特征在于，所述的输入传导光纤(C)和所述的收集传导光纤(D)为两段端面切平的单模光纤。4.根据权利要求1所述的一种高折射率灵敏度光纤微流传感器，...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙立朋，黄天晟，袁梓豪，关柏鸥，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：广东,44