專利名稱：檢測吸光度、折射率的長光程光纖-微流控芯片傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及基于光纖和微流控芯片的傳感器，特別是涉及吸光度和折射率檢測的高靈敏度、微量液體生化傳感器。
背景技術：
微流控芯片是當今科學研究熱點領域之一，在生命科學、化學、光學等領域具有廣闊應用前景。微流控芯片通道尺度通常在數十至數百微米量級，通道具有網絡結構，通過外接或集成泵閥能夠實現對通道內微升至皮升級液體流動的精確控制。微流控芯片在大大降低樣品消耗量的同時，增加了對檢測器的要求。目前使用的微流控芯片光學檢測器通常依托于復雜的光路系統，嚴重限制了其應用領域，而且由于微流控芯片通道尺寸小，使吸光度檢測等常規分析方法在微流控芯片上難以實現高靈敏度的檢測。吸光度檢測是應用最為廣泛的分析方法之一，為了克服微流控芯片上有效吸收光程小的問題，研究工作者進行了大量的研究工作，例如采用U型檢測池、多次反射檢測池、 帶有光路準直系統的光纖集成Z型檢測池、毛細管液芯波導檢測池和微結構光纖檢測池等。U型檢測池、多次反射檢測池、帶有光路準直系統的光纖集成Z型檢測池能夠在一定程度上提高吸光度檢測的靈敏度，但是其檢測靈敏度約為常規吸光度檢測方法的十分之一， 而且加工步驟復雜，制備成本高。基于毛細管液芯波導檢測池和微結構光纖檢測池的微流控芯片吸光度檢測的靈敏度能夠達到或超過常規吸光度檢測方法，但是，毛細管液芯波導管檢測池與微流控芯片集成后在其接口處存在一定的死體積，可能影響下一樣品的準確測量，基于微結構光纖微流控芯片吸光度傳感器亦可實現較高靈敏度，但是，其價格昂貴，而且液流阻力大，溶液驅動復雜，難以用于實際樣品的測量。折射率是另一種常用檢測指標，通常用于沒有熒光和特征光吸收的樣品檢測，例如蔗糖濃度的檢測和無標記的生物樣品檢測。目前報道的微流控芯片折射率傳感器多是在微流控芯片上集成諧振腔或干涉儀，通過測量諧振峰的移動獲取折射率信息。此類傳感器不僅需要昂貴的加工設備和復雜的加工過程，而且其靈敏度在很大程度上依賴于光譜儀的分辨率。近期，研究工作者報到了一種在多次反射微流控芯片吸光度傳感器。該傳感器包括一組微加工的反射鏡、用于光線準直的微透鏡、入射光纖、出射光纖，以及微通道等。入射光線經過微加工的反射鏡的反射后多次通過檢測通道，最后被出射光纖收集，通過測量出射光纖輸出光強的變化實現溶液吸光度的檢測。該方案雖然實現了較高靈敏度吸光度檢測，但是加工弧形反射鏡的難度大，需要高精度的光刻設備，并且該傳感器只能用于吸光度測量。因此，研究一種低成本、高穩定性、多功能的高靈敏度、低樣品消耗量的檢測吸光度、折射率的光纖-微流控芯片傳感器對于生命科學、環境監測和食品安全等領域研究的發展都具有重要意義。

發明內容
本發明的目的之一是提供一種結構簡單的用于檢測吸光度的長光程光纖-微流控芯片傳感器。本發明的目的之二是提供一種結構簡單的用于檢測折射率的長光程光纖-微流控芯片傳感器。為實現以上目的，本發明所采取的技術方案是該檢測吸光度、折射率的長光程光纖-微流控芯片傳感器包括由透明材料制成的微流控芯片，所述微流控芯片的內部設有檢測通道、入射光纖通道和出射光纖通道；所述檢測通道設有樣品入口、樣品出口、光線入射口和光線出射口，所述檢測通道位于入射光纖通道和出射光纖通道之間且相互間隔，由入射光纖通道出射的光線經檢測通道內的樣品吸收和側壁的內壁面反射后能夠入射到出射光纖通道中；入射光纖通道和出射光纖通道分別與置于其內的光纖相匹配，入射光纖通道內的光纖的出射端的端面與入射光纖通道的光線出射口的端面齊平，出射光纖通道內的光纖的入射端的端面與出射光纖通道的光線入射口的端面齊平。優選地，本發明所述微流控芯片的內部還設有進樣通道和出樣通道，所述進樣通道的出樣口與所述檢測通道的樣品入口連通，所述出樣通道的進樣口與所述檢測通道的樣品出口連通。優選地，本發明所述進樣通道設有一個以上進樣口。優選地，本發明所述檢測通道的樣品入口和樣品出口設于該檢測通道的側壁上。優選地，本發明所述檢測通道的側壁的內壁面垂直于該檢測通道的底面。優選地，本發明所述檢測通道的的橫截面呈矩形。與現有技術相比，本發明的有益效果是(1)本發明在未對光線進行準直的情況下，入射光線經入射光纖射入檢測通道后具有一定的發散角，一部分光線經過檢測通道的側壁的內壁面的多次反射多次反射后被出射光纖收集，另一部光線分直接通過檢測通道被出射光纖收集。經過多次反射的那部分光線強度是樣品與芯片材料折射率差的函數，當樣品沒有特征吸收時，則可通過測量總光強的變化檢測樣品的折射率，本發明傳感器的折射率檢測靈敏度可以達到或超過目前商用折射率檢測儀器的水平。(2)當本發明傳感器用于測量測量樣品的吸光度時，所測樣品的濃度通常較低，濃度變化引起的折射率變化可以忽略不計，通過測量總光強的變化檢測樣品的吸光度。值得指出的是，由于總光強中包括了多次反射的光線，所以本發明傳感器的有效吸收長度大于檢測通道的長度，從而有利于傳感器靈敏度的提高。通過與傳統分光光度計的對比發現，在分光計用比色皿的檢測長度與本發明的檢測通道長度相同的情況下，本發明傳感器的靈敏度比傳統分光光度計的靈敏度高 10%，而且線性范圍寬。(3)本發明傳感器所用光纖的數值孔徑較小，能夠有效避免雜散光對檢測的影響，并可與外圍光源、光強探測器無縫對接，可實現實時檢測和危險環境下的遠距離傳感，并且可以避免昂貴高分辨率光譜儀的使用。(4)本發明通過靈活設計微流控芯片的進樣通道構型，在微流控芯片上能夠完成混合、稀釋、生化反應等步驟，可大大提高系統的集成度，避免與毛細管或微結構光纖集成導致的死體積。(5)本發明傳感器無需加工微反射鏡和光線準直微透鏡，加工過程簡單，制備成本低。(6 )檢測通道長達厘米量級，且對樣品的需求量為微升至納升級量級，可見本發明能實現高靈敏度和低樣品消耗的生化傳感。
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發明內容


圖1是本發明傳感器的結構示意圖2是本發明傳感器在其進樣通道具有兩個進樣口時的結構示意圖； 圖3是本發明傳感器將不同濃度亞甲基藍溶液引入其檢測通道所測得的吸光度測量工作曲線；
圖4是本發明傳感器將不同折射率乙二醇溶液引入其檢測通道所測得的折射率測量工作曲線；
圖中1 - PDMS基片，2 —平板玻璃基片，3 —進樣通道，4 一檢測通道，5 —出樣通道， 6 一入射光纖通道，7 —出射光纖通道，8 —入射光纖，9 一出射光纖，10 一光源，11 一光強探測器，12 一進樣通道的進樣口，13 —出樣通道的出樣口，14 一入射光纖通道的光線出射口， 15 一出射光纖通道的光線入射口，16 —入射光纖通道、出射光纖通道的光纖插入口。
具體實施例方式以下以透明聚合物聚二甲基硅氧烷(PDMS)制作微流控芯片并使用商用多模光纖 (外徑125微米，芯徑62. 5微米)為例來說明本發明傳感器的結構及其制備方法。需要說明的是，該實施例并非是對本發明技術方案的限制，本發明也可使用其他透明材料制作微流控芯片并使用其他光纖；與各通道和光纖有關的尺寸數值僅是為說明本發明之方便而使用，本發明并不限于以下所舉的具體數值。具體地說，本實施例中，微流控芯片可采用SU-8陽模和折射率約為1. 41的PDMS 進行制備。在本發明傳感器中，入射光纖通道6和出射光纖通道7的作用是固定光纖，而入射光纖通道6和出射光纖通道7內的光纖則分別用于出射和收集光線。進一步地，本發明的微流控芯片的內部可專門設有便于樣品進出檢測通道4的進樣通道3和出樣通道5。本發明對各通道的橫截面形狀并無特別限定，可以是矩形、三角形、梯形、圓形等。但對于檢測通道4的側壁用以將從入射光纖通道6射入的部分光線反射到出射光纖通道7中而言，作為本發明的優選實施方式，檢測通道4的側壁的內壁面垂直于檢測通道4的底面，這樣可以保證光線在同一個平面上反射，有助于提高反射光線的收集效率和傳感器的靈敏度。進一步地，檢測通道4的橫截面優選為矩形。而當入射光纖通道4和出射光纖通道5的橫截面為矩形時，在工藝上容易確保光纖的端面與通道的端面齊平。并且，在對SU-8陽模進行加工時，相對于其他的形狀，將各通道的橫截面加工為矩形更簡單易行。加工SU-8陽模時，SU-8陽模上對應于檢測通道4、入射光纖通道6和出射光纖通道7的凸起部分垂直于陽模的底面，從而保證檢測通道4的橫截面為矩形，且入射光纖通道 6和出射光纖通道7的橫截面為矩形。為了保證光線嚴格按照設計的入射角度在微流控芯片內傳播，入射光纖通道6和出射光纖通道7應分別與插入其中的光纖相匹配，以使當光纖插入入射光纖通道6和出射光纖通道7后，通道內的光纖相對于通道位置固定、不滑移。本實施例采用外徑為125微米的商用多模光纖作為入射光纖和出射光纖，這時可將SU-8陽模與入射光纖通道和出射光纖通道對應的凸起部分的高度(對應于矩形橫截面的長度)設計為130微米、寬度(即對應于矩形橫截面的寬度)設計為125微米；需要說明的是，凸起部分的高度和寬度也可是其他尺寸，技術人員可根據情況自行確定，一般地，高度比寬度的尺寸大。由于本實施例中光纖的外徑和與入射光纖通道和出射光纖通道對應的凸起部分的寬度均為125微米，因此入射光纖通道4和出射光纖通道5內的光纖不會在通道內滑移，實現相對固定。將未固化的PDMS澆注在SU-8陽模上，在85°C的溫度下固化30分鐘，然后將其與 SU-8陽模剝離，形成具有進樣通道3、檢測通道4、出樣通道5入射光纖通道6和出射光纖通道7的PDMS基片1 ；由于PDMS精確復制了 SU-8陽模的構型，各通道的橫截面均為矩形，各通道深度均為130微米，入射光纖通道6和出射光纖通道7的寬度為125微米。如圖1所示，本發明的微流控芯片由具有進樣通道3、檢測通道4、出樣通道5、入射光纖通道6和出射光纖通道7等微通道的PDMS基片1和平板玻璃基片2經等離子體處理后鍵合而成，并且平板玻璃基片2的面積略大于PDMS基片1，以利于光纖在平板玻璃基片2上的固定。如圖1、 2所示，檢測通道4設有樣品入口、樣品出口、光線入射口和光線出射口。其中，檢測通道4 的樣品入口和樣品出口設于該檢測通道4的側壁上，進樣通道3的出樣口與檢測通道4的樣品入口連通，出樣通道5的進樣口與檢測通道4的樣品出口連通。檢測通道4位于入射光纖通道6和出射光纖通道7之間且相互間隔。入射光纖通道6的光線出射口 14與檢測通道4的光線入射口相對，出射光纖通道7的光線入射口 15與檢測通道4的光線出射口相對，從而使得由入射光纖通道6出射的光線經檢測通道4內的樣品吸收和側壁的內壁面反射后能夠入射到出射光纖通道7中。入射光纖通道6和出射光纖通道7分別與置于其內的光纖相匹配，入射光纖通道6內的光纖的出射端的端面與入射光纖通道6的光線出射口 14 的端面齊平，出射光纖通道7內的光纖的入射端的端面與出射光纖通道7的光線入射口 15 的端面齊平。本實施例中，可將進樣通道3、檢測通道4和出樣通道5的寬度設計為150微米，長度分別設計為1厘米、0. 5厘米和1厘米(但不限于該尺寸)，進樣通道3和出樣通道5分別設有進樣口 12和出樣口 13;入射光纖通道6和出射光纖通道7的長度可設計約2厘米(但不限于該尺寸)。將商用多模光纖的一段3-4厘米的保護層剝去，然后采用光纖切割刀將光纖端面切割平整；分別將端面平整的入射光纖8和出射光纖9經光纖插入口 16插入到入射光纖通道6和出射光纖通道7中，并使入射光纖通道6內的光纖的出射端的端面與入射光纖通道 6的光線出射口 14的端面齊平，出射光纖通道7內的光纖的入射端的端面與出射光纖通道 7的光線入射口 15的端面齊平。入射光纖8和出射光纖9緊貼平板玻璃基片2。在光纖插入口 16處滴加未固化的PDMS作為密封膠，使其滲入光纖與光纖通道的間隙，在85°C的溫度下固化30分鐘，進一步固定光纖通道內的光纖，同時，PDMS基片1外側的入射光纖8和出射光纖9被PDMS固定于平板玻璃基片2的表面。使用本發明傳感器時，將入射光纖8露在微流控芯片外部的部分通過裸光纖適配器與光源10連接，并將出射光纖9露在微流控芯片外部的部分通過裸光纖適配器與光強探測器11連接，采用注射泵注入或負壓吸取的方式驅動溶液從進樣口 12流入進樣通道3，依次經由進樣通道3、檢測通道4、出樣通道5，最后由出樣通道5的出樣口 13流出。當溶液充滿檢測通道4時，光強探測器11記錄輸出光強的變化，實現對被測樣品溶液的吸光度和或折射率的傳感。以下以亞甲基藍溶液的吸光度檢測為例進一步說明此傳感器的技術效果。制備如圖2所示的本發明傳感器，其中，進樣通道3呈“T”型，該進樣通道3具有CN 102539361 A
兩個進樣口 12。進樣通道3、檢測通道4、和出樣通道5的寬度為150微米，深度為150微米，長度分別設計為1厘米、0. 5厘米和1厘米。入射光纖通道6和出射光纖通道7的寬度為125微米，長度為1厘米；入射光纖通道6的光線出射口 14與檢測通道4的光線入射口的距離為100微米，檢測通道4的光線出射口與出射光纖通道7的光線入射口 15的距離為 100微米，各通道的深度為150微米。采用外徑為125微米、芯徑為62. 5微米標準多模光纖通作為將本發明傳感器的入射光纖8和出射光纖9，通過裸光纖適配器分別相應地與波長為633nm的氦氖激光器(光源10)和光纖光譜儀(光強探測器11)相連。亞甲基藍溶液從一個進樣口 12經注射泵以1微升/分鐘的流速注入進樣通道3， 依次經進樣通道3、檢測通道4、出樣通道5，最后從出樣通道5的出樣口 13流出。作為參比溶液的蒸餾水經另一個進樣口 12用另一注射泵以相同的流量注入。蒸餾水和亞甲基藍溶液交替注入，先注入蒸餾水獲得原始透射光強，然后注入亞甲基藍溶液，測得透射光強， 并計算吸光度。在0-30 μΜ的濃度范圍內，配制一系列不同濃度的亞甲基藍標準樣品，按照濃度由低到高的順序測量吸光度，并繪制工作曲線，如圖3所示。得到工作曲線后，便可通過測得未知樣品的吸光度，獲得其濃度。將亞甲基藍溶液的濃度和吸光度進行線性回歸， 線性相關系數(R2)達到0. 995，檢出限達到0. 3 μ Μ，檢測池長度為0. 5厘米的傳統分光光度計測量亞甲基藍的檢出限約為0.4 μ Μ，本發明傳感器所需的最小樣品體積僅為100納升左右，實際樣品消耗僅為數微升，與傳統分光光度計相比，其樣品消耗減少了近3個數量級。以不同折射率乙二醇溶液的折射率檢測為例進一步說明此傳感器的技術效果。采用上述如圖2所示的具有兩個進樣口 12的本發明傳感器，乙二醇溶液從一個進樣口 12經注射泵以1微升/分鐘的流速注入進樣通道3，依次經進樣通道3、檢測通道 4、出樣通道5，最后從出樣通道5的出樣口 13流出。作為參比溶液的蒸餾水經另一個進樣口 12用另一注射泵以相同的流量注入。蒸餾水和乙二醇溶液交替注入，先注入蒸餾水獲得原始透射光強，然后注入乙二醇溶液，測得透射光強，并計算歸一化的透射率。配制折射率范圍在1. 33-1. 43的一系列不同濃度的乙二醇溶液，按照折射率由低到高的順序測量透射率，并繪制工作曲線，如圖4所示。折射率在1. 37-1. 40范圍內，其檢測靈敏度達到4 X 10_4， 達到或超過目前商用折射率檢測儀器的水平。綜上，本發明傳感器的結構簡單，不僅能夠由于吸光度測量還能用于折射率測量。 此外，本發明傳感器的靈敏與相同檢測距離的分光光度計和商用折射率傳感器相比都有顯著提高，且本發明傳感器的實際樣品消耗僅為數微升，無論從樣品消耗和靈敏度上都可滿足臨床醫學檢驗，環境監測以及食品安全監測的需要。
權利要求
1.一種檢測吸光度、折射率的長光程光纖-微流控芯片傳感器，其特征是包括由透明材料制成的微流控芯片，所述微流控芯片的內部設有檢測通道(4)、入射光纖通道(6)和出射光纖通道(7)；所述檢測通道(4)設有樣品入口、樣品出口、光線入射口和光線出射口，所述檢測通道(4)位于入射光纖通道(6)和出射光纖通道(7)之間且相互間隔，由入射光纖通道(6)出射的光線經檢測通道(4)內的樣品吸收和側壁的內壁面反射后能夠入射到出射光纖通道(7)中；入射光纖通道(6)和出射光纖通道(7)分別與置于其內的光纖相匹配，入射光纖通道(6)內的光纖的出射端的端面與入射光纖通道(6)的光線出射口(14)的端面齊平，出射光纖通道(7)內的光纖的入射端的端面與出射光纖通道(7)的光線入射口(15)的端面齊平。
2.根據權利要求1所述的檢測吸光度、折射率的長光程光纖-微流控芯片傳感器，其特征是所述微流控芯片的內部還設有進樣通道(3)和出樣通道(5)，所述進樣通道(3)的出樣口與所述檢測通道(4)的樣品入口連通，所述出樣通道(5)的進樣口與所述檢測通道 (4)的樣品出口連通。
3.根據權利要求2所述的檢測吸光度、折射率的長光程光纖-微流控芯片傳感器，其特征是所述進樣通道(3)設有一個以上進樣口。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的檢測吸光度、折射率的長光程光纖-微流控芯片傳感器，其特征是所述檢測通道(4)的樣品入口和樣品出口設于該檢測通道(4)的側壁上。
5.根據權利要求1至3中任一項所述的檢測吸光度、折射率的長光程光纖-微流控芯片傳感器，其特征是所述檢測通道(4)的側壁的內壁面垂直于該檢測通道(4)的底面。
6.根據權利要求5所述的檢測吸光度、折射率的長光程光纖-微流控芯片傳感器，其特征是所述檢測通道(4)的的橫截面呈矩形。
全文摘要
本發明公開一種檢測吸光度、折射率的長光程光纖-微流控芯片傳感器包括由透明材料制成的微流控芯片，微流控芯片的內部設有檢測通道、入射光纖通道和出射光纖通道；檢測通道設有樣品入口、樣品出口、光線入射口和光線出射口，檢測通道位于入射光纖通道和出射光纖通道之間且相互間隔，由入射光纖通道出射的光線經檢測通道內的樣品吸收和側壁的內壁面反射后能夠入射到出射光纖通道中；入射光纖通道和出射光纖通道分別與置于其內的光纖相匹配，入射光纖通道內的光纖的出射端的端面與入射光纖通道的光線出射口的端面齊平，出射光纖通道內的光纖的入射端的端面與出射光纖通道的光線入射口的端面齊平。本發明能實現高靈敏度和低樣品消耗的生化傳感。
文檔編號G01N21/41GK102539361SQ20121000591
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月10日 優先權日2012年1月10日
發明者張磊, 王攀, 童利民 申請人:浙江大學