本發(fā)明涉及光學(xué)傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種螺旋式光微流傳感器。

背景技術(shù)：

光微流技術(shù)是將微流技術(shù)與光子學(xué)通過學(xué)科交叉與融合而產(chǎn)生的新型技術(shù)，是未來實(shí)現(xiàn)集成化、緊湊型的新型光源、可調(diào)諧光子器件及無標(biāo)記型生化傳感器的重要途徑。光微流傳感器的設(shè)計(jì)思想是，在設(shè)計(jì)光學(xué)傳感結(jié)構(gòu)時(shí)，考慮如何架構(gòu)微流的進(jìn)出通道，將光學(xué)結(jié)構(gòu)與微流通道集成以構(gòu)成光信號(hào)與微流相互作用的平臺(tái)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)微流生化成分變化的測(cè)量。光微流傳感器結(jié)合了微流通道結(jié)構(gòu)尺寸小、樣品消耗量低、分析通量高等優(yōu)點(diǎn)和光學(xué)檢測(cè)手段的靈敏度高、響應(yīng)速度快、靈活性高、功耗低等這兩方面優(yōu)勢(shì)，在化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等方面的應(yīng)用具有很好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

目前，實(shí)現(xiàn)光微流傳感器的方式很多。利用光纖布拉格光柵對(duì)形成的F-P腔結(jié)構(gòu)，在基底上構(gòu)成與光纖導(dǎo)光方向垂直的微流通道，對(duì)流經(jīng)F-P腔的液體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。這種結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單，制作相對(duì)容易，但由于受到空間穩(wěn)定性的制約，其測(cè)量精度僅為2×10^-3。光子晶體光纖內(nèi)部多個(gè)空氣孔為液體提供了天然的微流通道。將液體引入光纖內(nèi)，通過對(duì)帶隙漂移的測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)極高靈敏度的折射率感測(cè)。多個(gè)微流通道流速的不均勻性可能引起測(cè)量誤差，選擇性填充，選取單一空氣孔作為微流通道，避免了這一問題，但選擇性填充難度較高，不易于操作。利用光纖的長(zhǎng)度優(yōu)勢(shì)，可充分提升光與待測(cè)液體的相互作用強(qiáng)度，而最大不利因素是，光信號(hào)的路徑與微流通道互相重合，難以兼顧光信號(hào)的低損耗與液體用量的低消耗。環(huán)形微流通道本身就是一個(gè)環(huán)形諧振腔，還有微環(huán)的三維拓展結(jié)構(gòu)微管與微納光纖組成的諧振腔，它們采用與微流流動(dòng)方向垂直的微納光纖，利用瞬逝場(chǎng)作用進(jìn)行環(huán)形腔的激發(fā)。通過對(duì)透射譜中諧振峰漂移的觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)了微流通道中液體折射率的測(cè)量。然而，這種方案靈敏度有待進(jìn)一步提升，且諧振激發(fā)效率取決于微納光纖與微流通道之間的距離，其空間穩(wěn)定性對(duì)傳感用光信號(hào)具有較大影響。

以上各種光微流控傳感器的實(shí)現(xiàn)方法都存在不同的優(yōu)缺點(diǎn)，為了改善光微流傳感器的監(jiān)測(cè)能力，將其更進(jìn)一步推向?qū)嵱没枰谠砗蛯?shí)現(xiàn)機(jī)制上進(jìn)行改進(jìn)和再設(shè)計(jì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷，提供一種螺旋式光微流傳感器，利用瞬逝場(chǎng)的周期性作用激發(fā)出微納光纖與同向微流波導(dǎo)之間的諧振耦合，獲得超高靈敏度、溫度穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)緊湊性好的傳感器。

本發(fā)明的目的可以通過采取如下技術(shù)方案達(dá)到：

一種螺旋式光微流傳感器，所述螺旋式光微流傳感器包括微納光纖和微納石英毛細(xì)管，

其中，所述微納石英毛細(xì)管包括第一石英毛細(xì)管端區(qū)1、第二石英毛細(xì)管端區(qū)5、第一微納石英毛細(xì)管錐區(qū)2、第二微納石英毛細(xì)管錐區(qū)4和微納石英毛細(xì)管均勻區(qū)3，所述第一微納石英毛細(xì)管錐區(qū)2和所述第二微納石英毛細(xì)管錐區(qū)4分別位于所述微納石英毛細(xì)管均勻區(qū)3的兩端，所述第一石英毛細(xì)管端區(qū)1位于所述第一微納石英毛細(xì)管錐區(qū)2的外端，所述第二石英毛細(xì)管端區(qū)5位于所述第二微納石英毛細(xì)管錐區(qū)4的外端；

其中，所述微納光纖包括第一光纖端區(qū)6、第二光纖端區(qū)10、第一微納光纖錐區(qū)7、第二微納光纖錐區(qū)9和微納光纖均勻區(qū)8，所述第一微納光纖錐區(qū)7和所述第二微納光纖錐區(qū)9分別位于所述微納光纖均勻區(qū)8的兩端，所述第一光纖端區(qū)6位于所述第一微納光纖錐區(qū)7的外端，所述第二光纖端區(qū)10位于所述第二微納光纖錐區(qū)9的外端；

所述微納光纖均勻區(qū)8均勻纏繞在所述微納石英毛細(xì)管均勻區(qū)3上形成螺旋式的周期性結(jié)構(gòu)，所述微納光纖的其余各區(qū)與所述微納石英毛細(xì)管的其余各區(qū)處處保持平行的相對(duì)位置關(guān)系。

進(jìn)一步地，所述第一石英毛細(xì)管端區(qū)1和所述第二石英毛細(xì)管端區(qū)5分別用于微流體的導(dǎo)入和導(dǎo)出，經(jīng)所述第一微納石英毛細(xì)管錐區(qū)2、所述第二微納石英毛細(xì)管錐區(qū)4和所述微納石英毛細(xì)管均勻區(qū)3組成的微流通道形成完整的微流通道系統(tǒng)。

進(jìn)一步地，所述第一光纖端區(qū)6和所述第二光纖端區(qū)10分別用于光信號(hào)的輸入或者輸出，經(jīng)所述第一微納光纖錐區(qū)7和所述第二微納光纖錐區(qū)9與螺旋狀的所述微納光纖均勻區(qū)8組成的光通路形成完整的光信號(hào)通路系統(tǒng)。

進(jìn)一步地，當(dāng)所述第一光纖端區(qū)6與外部光源相連用于光信號(hào)的輸入時(shí)，所述第二光纖端區(qū)10與光信號(hào)檢測(cè)設(shè)備相連，用于輸出信號(hào)的監(jiān)測(cè)；當(dāng)所述第二光纖端區(qū)10與外部光源相連用于光信號(hào)的輸入時(shí)，所述第一光纖端區(qū)6與光信號(hào)檢測(cè)設(shè)備相連，用于輸出信號(hào)的監(jiān)測(cè)。

進(jìn)一步地，所述光信號(hào)檢測(cè)設(shè)備包括光譜儀或者光電檢測(cè)器。

進(jìn)一步地，當(dāng)所述第一石英毛細(xì)管端區(qū)1與進(jìn)樣器或者蠕動(dòng)泵相連用于樣品的進(jìn)入時(shí)，所述第二石英毛細(xì)管端區(qū)5用于排出毛細(xì)管內(nèi)剩余的樣品；當(dāng)所述第二石英毛細(xì)管端區(qū)5與進(jìn)樣器或者蠕動(dòng)泵相連用于樣品的進(jìn)入時(shí)，所述第一石英毛細(xì)管端區(qū)1用于排出毛細(xì)管內(nèi)剩余的樣品。

進(jìn)一步地，所述微納石英毛細(xì)管與內(nèi)部的微流體形成一個(gè)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并與螺旋狀的所述微納光纖相靠產(chǎn)生較強(qiáng)的瞬逝場(chǎng)作用，當(dāng)微流成分發(fā)生改變時(shí)，微流波導(dǎo)的有效折射率發(fā)生變化，引起諧振波長(zhǎng)產(chǎn)生漂移，通過對(duì)諧振波長(zhǎng)的監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)微流成分變化的感測(cè)。

進(jìn)一步地，所述微納光纖和所述微納石英毛細(xì)管分別由光纖與石英毛細(xì)管去除涂覆層以后熔融拉錐形成。

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果：

本發(fā)明公開的一種螺旋式光微流傳感器，專用于微流體的傳感測(cè)量，具有靈敏度高、溫度穩(wěn)定性和空間穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，可用于各種生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)等參量的傳感測(cè)量，成本低廉、操作方便。

附圖說明

圖1是本發(fā)明公開的一種螺旋式光微流傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

其中，1---第一石英毛細(xì)管端區(qū)，2---第一微納石英毛細(xì)管錐區(qū)，3---微納石英毛細(xì)管均勻區(qū)，4---第二微納石英毛細(xì)管錐區(qū)，5---第二石英毛細(xì)管端區(qū)，6---第一光纖端區(qū)，7---第一微納光纖錐區(qū)，8---微納光纖均勻區(qū)，9---第二微納光纖錐區(qū)，10---第二光纖端區(qū)。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

實(shí)施例

圖1是本發(fā)明公開的一種螺旋式光微流傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，一種螺旋式光微流傳感器，由光纖與石英毛細(xì)管分別去除涂覆層以后熔融拉錐，形成具有一定尺寸的微納光纖和微納石英毛細(xì)管，將微納光纖纏繞在微納石英毛細(xì)管，形成的周期性結(jié)構(gòu)。

微納石英毛細(xì)管的結(jié)構(gòu)包括第一石英毛細(xì)管端區(qū)1、第二石英毛細(xì)管端區(qū)5、第一微納石英毛細(xì)管錐區(qū)2、第二微納石英毛細(xì)管錐區(qū)4和微納石英毛細(xì)管均勻區(qū)3，

微納光纖的結(jié)構(gòu)包括第一光纖端區(qū)6、第二光纖端區(qū)10、第一微納光纖錐區(qū)7、第二微納光纖錐區(qū)9和微納光纖均勻區(qū)8，微納光纖均勻區(qū)8纏繞在微納石英毛細(xì)管均勻區(qū)3形成螺旋式的周期性結(jié)構(gòu)，微納光纖其余各區(qū)(第一光纖端區(qū)6、第二光纖端區(qū)10、第一微納光纖錐區(qū)7、第二微納光纖錐區(qū)9)與微納石英毛細(xì)管其余各區(qū)(第一石英毛細(xì)管端區(qū)1、第二石英毛細(xì)管端區(qū)5、第一微納石英毛細(xì)管錐區(qū)2、第二微納石英毛細(xì)管錐區(qū)4)處處保持平行的相對(duì)位置關(guān)系，這樣便形成了螺旋式光微流傳感器。

微納石英毛細(xì)管與內(nèi)部的微流體形成一個(gè)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，與螺旋狀的微納光纖相靠，結(jié)構(gòu)緊密，產(chǎn)生較強(qiáng)的瞬逝場(chǎng)作用，在諧振波長(zhǎng)處，螺旋狀的微納光纖中的光會(huì)被耦合到微流通道當(dāng)中，在透射譜中形成損耗峰，由于螺旋狀的微納光纖的周期性結(jié)構(gòu)，在特定波長(zhǎng)處會(huì)得到顯著增強(qiáng)，當(dāng)微流成分發(fā)生改變時(shí)，微流波導(dǎo)的有效折射率發(fā)生變化，引起諧振波長(zhǎng)產(chǎn)生漂移，通過對(duì)諧振波長(zhǎng)的監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)微流成分變化的感測(cè)。

其中，第一光纖端區(qū)6和第二光纖端區(qū)10分別用于光信號(hào)的輸入或者輸出，經(jīng)第一微納光纖錐區(qū)7和第二微納光纖錐區(qū)9與螺旋狀的微納光纖均勻區(qū)8組成的光通路形成完整的光信號(hào)通路系統(tǒng)。

具體應(yīng)用中，將第一光纖端區(qū)6或第二光纖端區(qū)10與外部光源相連用于光信號(hào)的輸入，另一第二光纖端區(qū)10或者第一光纖端區(qū)6與光譜儀或者光電檢測(cè)器等光信號(hào)檢測(cè)設(shè)備相連，用于輸出信號(hào)的監(jiān)測(cè)，形成完整的光信號(hào)通路系統(tǒng)。

其中，第一石英毛細(xì)管端區(qū)1和第二石英毛細(xì)管端區(qū)5分別用于微流體的導(dǎo)入和導(dǎo)出，經(jīng)第一微納石英毛細(xì)管錐區(qū)2、第二微納石英毛細(xì)管錐區(qū)4和微納石英毛細(xì)管均勻區(qū)3組成的微流通道形成完整的微流通道系統(tǒng)。

具體應(yīng)用中，將第一石英毛細(xì)管端區(qū)1或第二石英毛細(xì)管端區(qū)5與進(jìn)樣器或者蠕動(dòng)泵相連，用于樣品的進(jìn)入，另一第二石英毛細(xì)管端區(qū)5或者第一石英毛細(xì)管端區(qū)1用于排出毛細(xì)管內(nèi)剩余的樣品，形成獨(dú)立完整的微流通道系統(tǒng)。

綜上所述，本實(shí)施例公開了一種螺旋式光微流傳感器，專用于微流體的傳感測(cè)量，該傳感器利用瞬逝場(chǎng)的周期性作用激發(fā)出微納光纖與同向微流波導(dǎo)之間的諧振耦合，獲得超高靈敏度、極好的溫度穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)緊湊性，可用于各種生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)等參量的傳感測(cè)量，成本低廉、操作方便。

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。