基于微納光纖和微流控芯片的圖像傳感器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于微納光纖和微流控芯片的圖像傳感器及其制備方法，所述傳感器包括微流控芯片、錐形微納光纖、光電探測(cè)器、光源，其特征在于：所述微流控芯片設(shè)置有微流槽，所述錐形微納光纖細(xì)的一端伸入到微流控芯片中的微流槽通道內(nèi)；所述光電探測(cè)器和光源設(shè)置在錐形微納光纖的另一端。本發(fā)明的有益效果是：通過(guò)將微流槽通道與錐形微納光纖直接集成在一起，因此可以利用光纖中的光場(chǎng)作用力將待檢物吸附到光纖表面，消除待檢物與光纖端面的間距，從而降低成像畸變；并可利用錐形微納光纖大幅提高光場(chǎng)作用力和放大倍數(shù)；同時(shí)，還可以通過(guò)調(diào)節(jié)折射率，降低光纖之間的耦合干擾、提高成像精度。
【專利說(shuō)明】基于微納光纖和微流控芯片的圖像傳感器及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于檢測(cè)氣體或液體中微納待檢物的形狀和尺寸的傳感器，特別涉及一種基于微納光纖和微流控芯片的圖像傳感器及其制備方法，可應(yīng)用于空氣中霧霾、血液中細(xì)胞、以及水中微生物的檢測(cè)等領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]光學(xué)檢測(cè)技術(shù)和微流控芯片的融合，催生了“光流控”(optofluidic)傳感器(Nature Photon.，5 (10)，591-597 (2011))。利用光流控傳感器對(duì)氣體或液體樣品進(jìn)行分析檢測(cè)，具有高靈敏度、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、及微量樣品需求等優(yōu)勢(shì)。因此，如何利用光流控傳感器檢測(cè)微納顆粒物，在環(huán)境保護(hù)和生化分析等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用，例如:大氣中懸浮的微納顆粒會(huì)引起霧霾污染，海水中微小浮游生物會(huì)影響水質(zhì)(B1geosciences，7，3239-3257，2010)。目前，檢測(cè)氣體或液體中懸浮顆粒物的光學(xué)方法有激光法和圖像法等。其中，圖像法最為直觀，但是需要高倍的光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡，這些顯微鏡的價(jià)格昂貴、體積龐大。
[0003]為了降低高倍數(shù)光學(xué)顯微鏡的體積和價(jià)格，Isa Navruz等人利用高分辨率CXD光電探測(cè)器進(jìn)行接觸式成像，可將成像分辨率提升至亞微米量級(jí)，而且體積小、還可以與手機(jī)配合使用(Smart-phone based computat1nal microscopy using mult1-frame contactimaging on a fiber-optic array, Lab on a Chip, 2013, DO1:10.1039/C3LC50589H)。但是，該方案的成像分辨率主要取決于CCD的像素精度,分辨率仍未超過(guò)傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡。大多的微納光纖傳感器都運(yùn)用倏逝場(chǎng)原理，即當(dāng)光沿著亞波長(zhǎng)直徑微納光纖傳播時(shí)，相當(dāng)一部分能量以倏逝場(chǎng)的形式存在于光纖外部，這部分能量對(duì)于外界介質(zhì)的不同，會(huì)直接影響倏逝波的穿透深度和能量，從而改變光纖的透射光強(qiáng)。因此通過(guò)分析光纖接收端的光強(qiáng)變化，就可以對(duì)倏逝場(chǎng)區(qū)域的不同介質(zhì)特征做出判斷。但是存在以下問(wèn)題:倏逝場(chǎng)傳感器只有很少一部分能量可以穿透倏逝場(chǎng)區(qū)域從而產(chǎn)生熒光信號(hào)；而且在信號(hào)接受方面，熒光信號(hào)的耦合效率比較低。而且被測(cè)樣品與取樣錐形微納光纖之間存在較大間隙，這會(huì)增加光學(xué)衍射、降低成像精度。
[0004]綜上所述，如何利用錐形光纖進(jìn)一步提高放大倍數(shù)，消除待測(cè)樣品與光纖之間的間隙，并且降低光纖之間的光耦合干擾，從而大幅提高成像精度，是本發(fā)明的創(chuàng)研動(dòng)機(jī)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種待檢物與光纖斷面之間間距小，成像畸變低，高放大倍數(shù)和成像精度高的基于微納光纖和微流控芯片的圖像傳感器及其制備方法。
[0006]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0007]—種基于微納光纖和微流控芯片的圖像傳感器,包括微流控芯片、錐形微納光纖、光電探測(cè)器、光源，其特征在于:所述微流控芯片設(shè)置有微流槽，所述錐形微納光纖細(xì)的一端伸入到微流控芯片中的微流槽通道內(nèi)；所述光電探測(cè)器和光源設(shè)置在錐形微納光纖的另一端。
[0008]本發(fā)明涉及的基于微納光纖和微流控芯片的圖像傳感器，還可以具有以下附屬技術(shù)特征:
[0009]所述錐形微納光纖較細(xì)的一端設(shè)置有與微納光纖折射率不同的包層。所述的錐形微納光纖，其中較細(xì)的一端可以涂覆包層(圖4中左圖)；并可通過(guò)調(diào)節(jié)包層材料與微納光纖的折射率差異，從而調(diào)節(jié)微納光纖的數(shù)值孔徑，進(jìn)而限制待檢物的反射光耦合進(jìn)入微納光纖的入射角度(圖4中右圖)，降低相鄰光纖之間的光信號(hào)耦合干擾(即同一點(diǎn)的反射光率禹合進(jìn)入不同光纖中引起的干擾)；提聞成像精度。
[0010]所述光源包括泵浦光和探測(cè)光。所述泵浦光可以加強(qiáng)周圍形成的光場(chǎng)梯度，從而將待檢物吸附到微納光纖的表面，減少待檢物與微納光纖端面的間距。
[0011]所述錐形微納光纖為由多根錐形微納光纖緊密堆疊而構(gòu)成的錐形微納光纖陣列。所述的錐形微納光纖陣列，是由多根錐形微納光纖緊密堆疊而構(gòu)成的；可以通過(guò)對(duì)堆疊的光纖束進(jìn)行融化拉制而成(如圖3所示)，該錐形微納光纖的直徑可從毫米量級(jí)(粗的一端)漸變到微米甚至納米量級(jí)(細(xì)的一端)。所述的錐形微納光纖，其直徑的變化倍數(shù)可大于13倍；由于光匯聚效應(yīng)，它對(duì)圖像的放大倍數(shù)也可超過(guò)13倍，并且大幅提高了從該光纖細(xì)的一端匯聚輸出的泵浦光強(qiáng)度，從而增強(qiáng)對(duì)待檢物的光場(chǎng)作用力。
[0012]所述光電探測(cè)器，其入光面放置過(guò)濾泵浦光的濾光片。所述的光電探測(cè)器，其入光面可以放置濾光片，將泵浦光濾掉，從而只吸收探測(cè)光；如果采用探測(cè)光來(lái)俘獲待檢物，則可以不采用泵浦光和濾光片。
[0013]所述的微流控芯片設(shè)置有進(jìn)樣孔。其中進(jìn)樣孔是在襯底上腐蝕而成，與微流槽連接，進(jìn)樣孔的腐蝕深度h可以小于或等于夾層的厚度L，具體數(shù)值可視檢測(cè)樣品需求選擇。當(dāng)h小于L時(shí)，樣品在樣品通道內(nèi)流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生紊流；因此，可以通過(guò)調(diào)節(jié)h的大小，來(lái)獲得需要的紊流效果，從而影響光束傳播方向(紊流使得通道內(nèi)的液體折射率分布不均)、提高檢測(cè)精度。特別指出，本發(fā)明所涉及的微流控芯片是指包括微流槽的適合儲(chǔ)樣裝置，主要結(jié)構(gòu)為適合所述錐形微納光纖或錐形微納光纖陣列檢測(cè)的微流槽，不局限于尺寸以及其他功倉(cāng)泛。
[0014]所述的光電探測(cè)器設(shè)置于錐形微納光纖的端面中部，泵浦光和探測(cè)光從光電探測(cè)器的周圍耦合進(jìn)入錐形微納光纖(圖2);所述錐形微納光纖的直徑從毫米量級(jí)漸變到納米量級(jí)。
[0015]所述光電探測(cè)器緊貼錐形微納光纖的端面或者通過(guò)光學(xué)透鏡與錐形微納光纖實(shí)現(xiàn)光f禹合。
[0016]所述光電探測(cè)器是CCD光電探測(cè)器。CCD光電探測(cè)器是是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成視頻信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后形成數(shù)字圖像信號(hào)，轉(zhuǎn)換的視頻信號(hào)，在提高空間分辨率，改善信噪比和減少偽影等方面有優(yōu)勢(shì)，圖像質(zhì)量長(zhǎng)期可靠一致。
[0017]本發(fā)明還涉及基于微納光纖和微流控芯片的圖像傳感器的制備方法，主要包括以下步驟:
[0018]第一步、在襯底上制備微流槽，在襯底鉆孔貫穿到微流槽，然后將襯底和蓋片面對(duì)面貼緊密封，以構(gòu)成微流控芯片；
[0019]第二步、加熱融化光纖，拉制成錐形微納光纖；
[0020]第三步、將錐形微納光纖細(xì)的一端伸入到微流控芯片中的微流槽通道內(nèi)；
[0021]第四步、在錐形微納光纖的另一端安裝光電探測(cè)器和光源。
[0022]所述的圖像傳感器，是在微流槽上鉆孔，然后將微納光纖伸入孔內(nèi)并密封好，因此微納光纖可進(jìn)入微流槽、并與待檢物直接接觸，從而消除待檢物與微納光纖端面之間的間隙，降低光學(xué)衍射、提高成像精度。
[0023]所述的圖像傳感器工作原理是(如圖2):1.外部光源包含探測(cè)光，還可包含泵浦光，由光電探測(cè)器的周圍耦合進(jìn)入錐形微納光纖，并入射到微流槽通道內(nèi)的待檢物上；2.泵浦光在待檢物周圍形成的光場(chǎng)梯度，從而將待檢物吸附到微納光纖的表面，減少待測(cè)待檢物與微納光纖端面的間距；3.探測(cè)光經(jīng)微納光纖入射到待檢物表面并反射回微納光纖中，從而被光電探測(cè)器接收成像。
[0024]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0025]通過(guò)將微流槽通道與錐形微納光纖直接集成在一起，因此可以利用光纖中的光場(chǎng)作用力將待檢物吸附到光纖表面，消除待檢物與光纖端面的間距，從而降低成像畸變；并可利用錐形微納光纖大幅提高光場(chǎng)作用力和放大倍數(shù)；同時(shí)，還可以通過(guò)調(diào)節(jié)折射率，降低光纖之間的耦合干擾、提高成像精度。
[0026]錐形微納光纖通過(guò)與微流控芯片的集成，使所需樣品消耗大大減少，而且可根據(jù)樣品的多少以及形態(tài)選擇微流控芯片；錐形微納光纖未拉伸部分可選用標(biāo)準(zhǔn)商用單?；蚨嗄９饫w，可與外圍光源、探測(cè)器無(wú)縫對(duì)接，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)和危險(xiǎn)環(huán)境下的遠(yuǎn)距離傳感；該傳感器制備簡(jiǎn)單，加工成本低，具有超高靈敏度和長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性，并且待測(cè)物與光纖端面之間間隙小，成像精度高。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0027]圖1為微流控芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖2為基于微納光纖和微流控芯片的圖像傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖3為錐形微納光纖陣列的結(jié)構(gòu)和制備方法示意圖。
[0030]圖4為微納光纖的結(jié)構(gòu)示意圖(右圖為光纖頂部的放大圖)。

【具體實(shí)施方式】
[0031]下面將結(jié)合實(shí)施例以及附圖對(duì)本發(fā)明加以詳細(xì)說(shuō)明，需要指出的是，所描述的實(shí)施例僅旨在便于對(duì)本發(fā)明的理解，而對(duì)其不起任何限定作用。
[0032]實(shí)施例1
[0033]參照?qǐng)D1至圖4，本發(fā)明提供了一種基于微納光纖和微流控芯片的圖像傳感器，包括微流控芯片、錐形微納光纖、光電探測(cè)器、光源，其特征在于:所述微流控芯片設(shè)置有微流槽，所述錐形微納光纖細(xì)的一端伸入到微流控芯片中的微流槽通道內(nèi)；所述光電探測(cè)器和光源設(shè)置在錐形微納光纖的另一端；所述錐形微納光纖較細(xì)的一端設(shè)置有與微納光纖折射率不同的包層；所述光源包括泵浦光和探測(cè)光；所述的光電探測(cè)器設(shè)置于錐形微納光纖陣列的端面中部，泵浦光和探測(cè)光從光電探測(cè)器的周圍耦合進(jìn)入錐形微納光纖陣列；所述錐形微納光纖的直徑從I毫米漸變到10_5毫米；所述的微流控芯片，是由蓋片和帶有微流槽的襯底構(gòu)成；襯底和蓋片密封后，凹槽形成了微流槽通道，用以流通氣體或液體樣品。
[0034]本發(fā)明還提供了一種基于微納光纖和微流控芯片的圖像傳感器的制備方法，主要包括以下步驟:
[0035]第一步、在襯底上制備微流槽，在襯底鉆孔貫穿到微流槽，然后將襯底和蓋片面對(duì)面貼緊密封，以構(gòu)成微流控芯片；
[0036]第二步、加熱融化光纖，拉制成錐形微納光纖；所述錐形微納光纖較細(xì)的一端涂覆與錐形微納光纖折射率不同的包層；
[0037]第三步、將錐形微納光纖細(xì)的一端伸入到微流控芯片中的微流槽通道內(nèi)；
[0038]第四步、在錐形微納光纖的另一端安裝光電探測(cè)器和光源。
[0039]實(shí)施例2
[0040]參照?qǐng)D1至圖4，本發(fā)明提供了一種基于微納光纖和微流控芯片的圖像傳感器，包括微流控芯片、錐形微納光纖陣列、CCD光電探測(cè)器、光源，其特征在于:所述微流控芯片設(shè)置有微流槽和進(jìn)樣孔，所述錐形微納光纖陣列細(xì)的一端伸入到微流控芯片中的微流槽通道內(nèi)；所述CCD光電探測(cè)器和光源設(shè)置在錐形微納光纖陣列的另一端；所述錐形微納光纖陣列較細(xì)的一端設(shè)置有與微納光纖折射率不同的包層；所述光源包括泵浦光和探測(cè)光；所述的CCD光電探測(cè)器設(shè)置于錐形微納光纖陣列的端面中部，泵浦光和探測(cè)光從CCD光電探測(cè)器的周圍耦合進(jìn)入錐形微納光纖陣列；所述CCD光電探測(cè)器，其入光面放置過(guò)濾泵浦光的濾光片；所述錐形微納光纖陣列的直徑從2毫米漸變到5X 10_5毫米；所述的微流控芯片，是由蓋片和帶有微流槽的襯底構(gòu)成；襯底和蓋片密封后，凹槽形成了微流槽通道，用以流通氣體或液體樣品。
[0041]本發(fā)明還提供了一種基于微納光纖和微流控芯片的圖像傳感器的制備方法，主要包括以下步驟:
[0042]第一步、在襯底上制備微流槽和進(jìn)樣孔，在襯底鉆孔貫穿到微流槽，然后將襯底和蓋片面對(duì)面貼緊密封，以構(gòu)成微流控芯片；
[0043]第二步、加熱融化多根光纖，拉制成錐形微納光纖陣列；所述錐形微納光纖陣列較細(xì)的一端涂覆與錐形微納光纖陣列折射率不同的包層。
[0044]第三步、將錐形微納光纖陣列細(xì)的一端伸入到微流控芯片中的微流槽通道內(nèi)；
[0045]第四步、在錐形微納光纖陣列的另一端安裝CCD光電探測(cè)器和光源；所述CCD光電探測(cè)器，其入光面放置過(guò)濾泵浦光的濾光片。
[0046]將含有待檢物的氣體或液體從進(jìn)樣孔流經(jīng)微流槽通道；當(dāng)待檢物流經(jīng)錐形微納光纖陣列的表面時(shí)，被光纖陣列中的泵浦光或探測(cè)光吸附到光纖陣列端面；光纖陣列中的探測(cè)光被待檢物反射后，耦合返回光纖陣列中、并被光纖陣列另一端的CCD光電探測(cè)器接收成像。
[0047]綜上所述，本發(fā)明提供的基于微納光纖和微流控芯片的圖像傳感器，通過(guò)將微流槽通道與微納光纖陣列集成，可利用光場(chǎng)作用力消除待測(cè)待檢物與光纖端面的間距，從而降低成像畸變；并可利用錐形微納光纖大幅提高光場(chǎng)作用力和放大倍數(shù)；同時(shí)，還可以通過(guò)調(diào)節(jié)折射率，降低光纖之間的耦合干擾、提高成像精度。
[0048]最后應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作了詳細(xì)地說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)質(zhì)和范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于微納光纖和微流控芯片的圖像傳感器，包括:微流控芯片、錐形微納光纖、光電探測(cè)器、光源，其特征在于:所述微流控芯片設(shè)置有微流槽，所述錐形微納光纖細(xì)的一端伸入到微流控芯片中的微流槽通道內(nèi)；所述光電探測(cè)器和光源設(shè)置在錐形微納光纖的另一端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微納光纖和微流控芯片的圖像傳感器，其特征在于:所述錐形微納光纖較細(xì)的一端設(shè)置有與微納光纖折射率不同的包層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微納光纖和微流控芯片的圖像傳感器，其特征在于:所述光源包括泵浦光和探測(cè)光。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微納光纖和微流控芯片的圖像傳感器，其特征在于:所述錐形微納光纖為由多根錐形微納光纖緊密堆疊而構(gòu)成的錐形微納光纖陣列。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于微納光纖和微流控芯片的圖像傳感器，其特征在于:所述光電探測(cè)器，其入光面放置過(guò)濾泵浦光的濾光片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微納光纖和微流控芯片的圖像傳感器，其特征在于:所述的微流控芯片設(shè)置有進(jìn)樣孔。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于微納光纖和微流控芯片的圖像傳感器，其特征在于:所述的光電探測(cè)器設(shè)置于錐形微納光纖的端面中部，泵浦光和探測(cè)光從光電探測(cè)器的周圍耦合進(jìn)入錐形微納光纖；所述錐形微納光纖的直徑從毫米量級(jí)漸變到納米量級(jí)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微納光纖和微流控芯片的圖像傳感器，其特征在于:所述光電探測(cè)器緊貼錐形微納光纖的端面或者通過(guò)光學(xué)透鏡與錐形微納光纖實(shí)現(xiàn)光耦合。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8任一所述的基于微納光纖和微流控芯片的圖像傳感器，其特征在于:所述光電探測(cè)器是CCD光電探測(cè)器。
10.一種如權(quán)利要求1-8任一所述的基于微納光纖和微流控芯片的圖像傳感器的制備方法，主要包括以下步驟: 第一步、在襯底上制備微流槽，在襯底鉆孔貫穿到微流槽，然后將襯底和蓋片面對(duì)面貼緊密封，以構(gòu)成微流控芯片； 第二步、加熱融化光纖，拉制成錐形微納光纖； 第三步、將錐形微納光纖細(xì)的一端伸入到微流控芯片中的微流槽通道內(nèi)； 第四步、在錐形微納光纖的另一端安裝光電探測(cè)器和光源。
【文檔編號(hào)】G01N15/00GK104345015SQ201410299607
【公開(kāi)日】2015年2月11日 申請(qǐng)日期:2014年6月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月30日
【發(fā)明者】黃輝, 渠波, 劉蓬勃, 白敏
申請(qǐng)人:黃輝, 渠波, 白敏