一种基于信号差分检测的光学微流控芯片及测试方法技术

本发明专利技术提供一种基于信号差分检测的光学微流控芯片及测试方法，其特征在于：在微流槽中承载待测样品和标准样品，将待测样品和标准样品的测试信号进行差分运算，从而有效消除光源波长漂移和温度漂移等因素所导致的测试误差，从而提高测试精度。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提供，其特征在于：在微流槽中承载待测样品和标准样品，将待测样品和标准样品的测试信号进行差分运算，从而有效消除光源波长漂移和温度漂移等因素所导致的测试误差，从而提高测试精度。【专利说明】
本专利技术涉及微流控芯片中气体和液体样品(例如蛋白质、DNA、抗原、抗体等)的折射率测试，可应用于环境监测、化学分析和生物医学等领域。
技术介绍
有害气体检测在环境保护方面具有重要应用，液体检测则在生物医学领域有着重要应用。微流控芯片可以作为承载气体和液体样品的理想通道；并且，其体积小，可以实现微量检测，促进分析仪器的微型化、集成化和便携化。折射率是反映气体和液体性质的一个重要参数，测试样品的折射率就可以获知样品的类型和浓度等相关信息；并且光学传感器具有抗干扰能力强和响应快的特点。因此，目前广泛采用光学传感器对微流控芯片中的样品进行折射率测量。Kobori等人(J.Am.Chem.Soc.，2004，126:557)利用表面等离子体共振传感器(SPR)对双链DNA进行检测。Liang等人(Appl.Phys.Lett.,2005,86:151122)利用光纤光栅传感器对异丙醇的折射率进行测量。Guo 等人(App1.Phys.Lett.,2011,98:041104)利用两根光纤端面构成的 Fabry-Perot腔，对腔内液体的折射率进行测试。我们提出了一种具有集成光学谐振腔的微流控芯片传感器(App 1.Phys.Lett.,2012,100:233705)，通过提闻谐振腔的品质因子，从而大幅提闻传感器的分辨率。但是受温度变化、光源波长漂移、以及光电探测噪声等的影响，上述传感器的测试灵敏度较差(分辨率只能达到10_6折射率单元)。因此设计研发新的器件结构和测试方法，提高传感器的分辨率是目前亟需解决的问题。将待测样品和标准样品的测试信号进行差分和减法运算，能有效消除光源波长和温度的漂移所导致的测试误差。因此，设计新的器件结构和测试系统，实现光信号或电信号的差分，从而大幅提高测试精度，这是本专利技术的创研动机。
技术实现思路
本专利技术旨在解决上述传感器的测试精度问题，提出“”，通过将待测样品和标准样品的测试信号进行比较和减法运算，实现强的抗干扰、抗光源波长漂移和抗系统温漂的能力，具备高的分辨率和稳定性。本专利技术的光信号差分测试原理如图1所示，两个微流槽分别承载着待测样品和标准样品，两束探测光分别经过这两个微流槽；然后这两束光合为一束实现二者的干涉叠加；最后进入光电探测器。本专利技术的电信号差分测试原理如图2所示，两个微流槽分别承载着待测样品和标准样品，两束探测光分别经过这两个微流槽；然后分别经过光电探测器转换为电信号，接着进行两个电信号的差分运算。所述的探测光可以由单个激光器输出的光经过分光而成。所述的探测光经过的路线简称“光程”，光程中可以插入光学相位调制器和幅度调制器。所述的光学相位调制器(如LiNbO3调制器)可以通过施加电场、磁场或压力等改变调制器的折射率，从而改变经过调制器的光束相位。所述的光学幅度调制器包括光放大器和光衰减器。所述的测试仪利用相位和幅度调制器，分别调节两束探测光的相位差和强度比值，从而获得最佳的干涉相消效果，有效抵消光源波长和温度的漂移所导致的测试误差。所述的微流槽数目可以多于两个，用于承载不同的待测样品和标准样品；相应的探测光束的数目和微流槽数目一致，即每个微流槽对应一个探测光束。所述的微流槽可以只有一个，利用微流槽的不同部分承载不同的样品；相应的探测光束的数目和样品数目一致(每个样品区域对应一个探测光束)。所述的微流槽可以在其表面或内部镀光学薄膜(如S1、Ta2O5, SiNx, SiO2等)，调节光束相位，优化两束光的干涉相消效应(如图3)。【专利附图】【附图说明】附图，其被结合入并成为本说明书的一部分，示范了本专利技术的实施例，并与前述的综述和下面的详细描述一起解释本专利技术的原理。图1为基于光信号差分的测试方法。图2为基于电信号差分的测试方法。图3为在微流槽的表面或内部镀光学薄膜的微流控芯片结构。图4为基于光信号差分的另一种测试步骤。【具体实施方式】为使得本专利技术的技术方案更加清晰，以下结合测试方案和附图详细叙述本专利技术的【具体实施方式】。例I首先，选用一个包含两个微流槽(槽A和槽B)的微流控芯片(如图1)。其次，利用一个光纤分束器将一个激光器的输出光分成两束，经过调制器和透镜后分别入射到槽A和槽B上；经过槽、透镜和合波器，两束光合为一束，进入光电探测器(如图1)。然后，将标准样品注入槽A和槽B中。调节光路中的相位调制器，使得到达C处的两束探测光的相位差为180度的奇数倍；调节光路中的光学幅度调制器，使得到达C处的两束光幅度相等。此时，两束光在C处完全干涉相消，进入光电探测器的光强接近零。由于波长漂移和温度漂移对两束探测光的影响一致，二者的干涉相消能有效抵消漂移所导致的测试误差。最后，将待测样品和标准样品分别注入槽A和槽B中，由于两种样品的折射率存在差异，改变了经过微流槽后的光束强度(Appl.Phys.Lett.，2012，100:233705)，导致到达C处的两束光的强度不同。此时，不满足完全干涉相消的条件，进入光电探测器的光强增大。因此，通过测试C处的光强大小，就可以获知待测样品和标准样品的折射率差异，从而求出待测样品的折射率值。例2首先，选用一个包含两个微流槽(槽A和槽B)的微流控芯片(如图2)。其次，利用一个光纤分束器将一个激光器的输出光分成两束，经过调制器和透镜后分别入射到槽A和槽B上；经过槽和透镜，两束光分别进入光电探测器转换成电信号，接着进行两个电信号的差分运算(如图2)。然后，将标准样品注入槽A和槽B中。调节幅度调制器，使得进入光电探测器的两束光的强度相等，从而电信号差分结果为零。波长漂移和温度漂移对两个信号的影响是一致的，因此两信号的差分相减能有效抵消漂移所导致的测试误差。最后，将待测样品和标准样品分别注入槽A和槽B中，由于两种样品的折射率存在差异，改变了透过微流槽的光强度(Appl.Phys.Lett.，2012，100:233705)，导致进入光电探测器的两束光强度不同。此时，电信号的差分运算不为零。因此，通过测试差分后的电信号大小，就可以获知待测样品和标准样品的折射率差异，从而求出待测样品的折射率值。例3首先，选用一个包含两个微流槽(槽A和槽B)的微流控芯片，其中槽A的底部镀了光学厚度为半个波长奇数倍的SiO2介质膜(图4)。其次，利用一个光纤分束器将一个激光器的输出光分成两束，经过透镜后分别入射到槽A和槽B上；经过槽、透镜和合波器，两束光在C处合为一束，接着进入光电探测器(如图4)。然后，调节光路中的相位调制器，使得到达C处的两束探测光的相位差为180度的奇数倍；调节光路中的光学幅度调制器，使得到达C处的两束光的幅度相等。此时，两束光在C处实现干涉相消，使得进入光电探测器的光强接近零。波长漂移和温度漂移对两束探测光的影响一致，二者的干涉相消能有效消除漂移所导致的测试误差。最后，将待测样品和标准样品分别注入槽A和槽B中，由于两种样品的折射率存在差异，改变了光程，导致到达C处的两束光的相位差偏离180度的奇数倍。此时，不满足完全干涉相消的条件，进入本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于信号差分检测的光学微流控芯片及测试方法，其特征在于：在微流槽中承载待测样品和标准样品，将待测样品和标准样品的测试信号进行差分运算，从而消除光源波长漂移和温度漂移所导致的测试误差，从而提高测试精度。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄辉，渠波，刘蓬勃，
申请(专利权)人：黄辉，渠波，刘蓬勃，
类型：发明
国别省市：