基于pdms芯片的微流體可調(diào)諧光學(xué)濾波器及其制作方法
【專利摘要】一種光學(xué)檢測【技術(shù)領(lǐng)域】的基于PDMS芯片的微流體可調(diào)諧光學(xué)濾波器及其制作方法，包括：自發(fā)輻射光源、帶有雙微通道的PDMS微流體芯片、光譜儀以及兩組獨(dú)立工作的注射泵，微流體芯片的光入射端和出射端分別與自發(fā)輻射光源和光譜儀通過耦合光纖相連，微流體芯片的第一和第二流體注入端分別與兩組獨(dú)立工作的注射泵相連；本發(fā)明丁字型通道結(jié)構(gòu)在注入液體時(shí)，其所需注液壓力小，液體不容易發(fā)生噴濺，性能穩(wěn)定；兩種液體在水平通道上開始擴(kuò)散互混，在縱向產(chǎn)生的液體折射率梯度明顯，靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明可在光流控芯片中集成，方便應(yīng)用到生物及環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測中方便取樣而不影響干涉曲線的觀測和記錄，并且利于層流的穩(wěn)定性，得到更穩(wěn)定的信號。
【專利說明】基于PDMS芯片的微流體可調(diào)諧光學(xué)濾波器及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種光學(xué)設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】的器件及方法，具體是一種基于PDMS (聚二甲基硅氧烷)芯片的微流體可調(diào)諧光學(xué)濾波器及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光流控是光學(xué)和微流控技術(shù)的結(jié)晶。與傳統(tǒng)固體器件相比，微流體光學(xué)器件具有尺寸微型化、調(diào)諧多樣化、可集成性等優(yōu)點(diǎn)，因此微流體器件也被稱為光學(xué)芯片或芯片實(shí)驗(yàn)室(Lab on a chip)。其微分析系統(tǒng)使用的樣品試劑量極少、分辨率和靈敏度高、成本低、分析時(shí)間短，可廣泛用于化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)的檢測分析以及光學(xué)和信息處理。微流體光學(xué)芯片可以以某種生物化學(xué)成分為基元，以光學(xué)信息為載體，對目標(biāo)檢測物進(jìn)行高選擇性和高靈敏度的檢測。它不僅促進(jìn)集成光學(xué)的發(fā)展，也對分析儀器提供了更多更便攜化的功能。
[0003]微流控技術(shù)是在百十個(gè)微米或以下尺度的液體通道中操控微量(納升甚至飛升)液體的加工處理方法。因其優(yōu)越的特點(diǎn)，已悄然成為一個(gè)新興獨(dú)特的研究領(lǐng)域。在這個(gè)尺度上，液體的特性以及相應(yīng)的物理現(xiàn)象會(huì)有質(zhì)的變化。進(jìn)行兩相甚至多相流的操控是微流體系統(tǒng)的另一優(yōu)點(diǎn)，在連續(xù)的液相流中產(chǎn)生和操控單分散體的氣泡或者液體，多相流的操控提供了產(chǎn)生聚合物顆粒、乳膠液和泡沫的新機(jī)制。微流控分析系統(tǒng)中所需的試劑和樣品極少，特別當(dāng)實(shí)驗(yàn)中涉及到生物有毒物質(zhì)時(shí)，可以有效減少廢液帶來的污染。傳統(tǒng)的基于波導(dǎo)器件的生化傳感器，通常對氣體、液體、生物大分子等進(jìn)行檢測時(shí)，利用待分析樣本濃度的變化或免疫反應(yīng)的改變波導(dǎo)包覆層的折射率，被光波的倏逝場所感應(yīng)，引起導(dǎo)波層光波導(dǎo)模式有效折射率的變化，通過測量這個(gè)變化量可以得知待測物質(zhì)的信息。
[0004]經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利文獻(xiàn)號CN101699329A，授權(quán)公告日2011 - 01 - 05，記載了一種基于電潤濕技術(shù)的光流體濾波器，采用液滴驅(qū)動(dòng)單元和法布里-珀羅濾波單元。其中第一級濾波系統(tǒng)液滴驅(qū)動(dòng)單元由控制電極、接地電極、底部玻璃板、頂部玻璃板、液體層和絕緣層組成；通過電壓來控制液滴和疏水層間的接觸角及不同側(cè)的表面張力，采用染料液滴作為濾波物質(zhì)，利用幾級液滴驅(qū)動(dòng)單元疊加以達(dá)到合適的帶寬和透過/吸收比。結(jié)合法布里-珀羅腔可進(jìn)行濾波范圍調(diào)諧。但該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)繁瑣，需采用染料液滴，使用高壓電極進(jìn)行電驅(qū)動(dòng)，并且在芯片上制作電極工藝復(fù)雜，因此不適于在微流控芯片中集成。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種基于PDMS芯片的微流體可調(diào)諧光學(xué)濾波器及其制作方法，通過控制微流體通道中液體間的層流來調(diào)諧的微流體芯片。利用兩種不同折射率液體界面之間的擴(kuò)散、液體濃度及流速的控制產(chǎn)生可調(diào)諧的折射率梯度分布，由此導(dǎo)致雙臂光程差的變化對干涉儀進(jìn)行調(diào)諧，從而達(dá)到光學(xué)濾波的目的。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡化，可在光流控芯片中集成，方便應(yīng)用到生物及環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測中方便取樣而不影響干涉曲線的觀測和記錄。另外，這種新型雙臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也有利于層流的穩(wěn)定性，得到更穩(wěn)定的信號。
[0006]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0007]本發(fā)明涉及一種基于PDMS芯片的微流體可調(diào)諧光學(xué)濾波器，包括:自發(fā)輻射光源、帶有雙微通道的PDMS微流體芯片、光譜儀以及兩組獨(dú)立工作的注射泵，其中:微流體芯片的光入射端和出射端分別與自發(fā)輻射光源和光譜儀通過耦合光纖相連，微流體芯片的第一和第二流體注入端分別與兩組獨(dú)立工作的注射泵相連。
[0008]所述的自發(fā)福射光源通過摻鉺光纖放大器放大，其波長范圍為1528nm - 1573nm。
[0009]所述的微流體芯片包括:分別位于光入射端和出射端的空氣凹透鏡以及兩條帶有注入端和輸出端且相互連通的液體微通道，其中:液體微通道平行設(shè)置于空氣凹透鏡之間且中部設(shè)有隔斷部分。
[0010]所述的注射泵內(nèi)分別裝有兩種不同液體，該注射泵與步進(jìn)電機(jī)相連且注射精度為
0.1 μ L/min。
[0011]所述的隔斷部分的長度為300 μ m,最大寬度為30 μ m。
[0012]所述的液體微通道的寬度為125 μ m,深度為125 μ m,長度為1mm。
[0013]所述的微流體芯片內(nèi)左右兩端設(shè)有寬度為128 μ m的方形截面光纖槽，使得插入導(dǎo)光光纖后光纖出射端口和會(huì)聚端口離空氣凹透鏡的距離在200 μ m。
[0014]所述的耦合光纖采用纖芯直徑為9 μ m、外徑為125 μ m的單模光纖，光纖的數(shù)值孔徑為0.14。
[0015]所述的光譜儀的分辨率是0.02nm。
[0016]本發(fā)明涉及上述系統(tǒng)的制備方法，包括以下步驟:
[0017]I)采用光刻的方法制備出帶有微通道凸結(jié)構(gòu)的陽模，將PDMS澆注于陽模模板上，然后進(jìn)行加熱固化處理。
[0018]所述的陽模通過AutoCAD設(shè)計(jì)出PDMS微流體芯片中的微結(jié)構(gòu)，采用圖形發(fā)生器把設(shè)計(jì)版圖上的微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到高精度的光掩模板上；在3英寸厚的硅片上均勻甩涂上SU - 83050負(fù)光刻膠,把掩模板放置在甩好負(fù)光刻膠的娃片上,再由曝光機(jī)對其進(jìn)行曝光。10分鐘后，用IPA對硅片進(jìn)行沖洗，掩模板上的圖案轉(zhuǎn)移到負(fù)光刻膠上，經(jīng)光刻顯影得到。
[0019]所述的PDMS為預(yù)聚物和固化劑以質(zhì)量比為10:1配比攪拌混合得到。
[0020]所述的澆注優(yōu)選為倒入PDMS后置于真空泵中進(jìn)行真空處理，以去除多余空氣泡。
[0021]所述的加熱固化是指:在60攝氏度下加熱兩個(gè)小時(shí)。
[0022]2)將PDMS聚合物從模板上剝離得到帶有雙微通道結(jié)構(gòu)的單面芯片，將該單面芯片與一表面平整且經(jīng)加熱固化處理的PDMS底板鍵合成為微流體芯片，將微流體芯片組裝后制成微流體可調(diào)諧光學(xué)濾波器。
[0023]所述的鍵合所涉及的參數(shù)為:采用等離子清洗機(jī)處理芯片表面，氧氣流量為15mL/s，壓力為7.5PSI，使氣體通入時(shí)間為60s。
[0024]所述的單面芯片鍵合前優(yōu)選開設(shè)作為光入射端、出射端、第一和第二流體注入端的孔。
[0025]所述的組裝是指:將耦合光纖及注射泵與微流體芯片相連，所述的耦合光纖在接入微流體芯片前經(jīng)光纖切割機(jī)把光纖端口切平整，以防止光強(qiáng)被過多散射，加大損耗。
技術(shù)效果[0026]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)效果包括:本發(fā)明通過兩層PDMS的膠合來實(shí)現(xiàn)內(nèi)嵌式微通道簡化了光學(xué)芯片結(jié)構(gòu)及其制作。本發(fā)明微通道結(jié)構(gòu)的提高了濾波的靈敏度，避免了在實(shí)施中為了得到不同的折射率差值而頻繁更換液體類型的過程?？梢詫?shí)現(xiàn)對對液-液界面寬度以及位置的控制，微通道的設(shè)計(jì)可以使得液-液之間的層流更加穩(wěn)定。利用新型微通道的設(shè)計(jì)以及液-液層流的控制實(shí)現(xiàn)了一種光流控芯片上的可調(diào)諧光學(xué)濾波器，并通過對微流體的控制實(shí)現(xiàn)可控的濾波效果。本發(fā)明的丁字型通道結(jié)構(gòu)在注入液體時(shí)，其所需注液壓力小，液體不容易發(fā)生噴濺，性能穩(wěn)定；并且兩種液體在水平通道上開始擴(kuò)散互混，在縱向產(chǎn)生的液體折射率梯度明顯，靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。在生物化學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，根據(jù)判斷波峰的位置，也可以用來作為檢驗(yàn)兩種試劑反應(yīng)程度的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明所用微流體芯片結(jié)構(gòu)圖；
[0028]圖2為微流體可調(diào)諧光學(xué)濾波器示意圖；
[0029]圖3為實(shí)施例1測量得到的濾波圖樣。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
實(shí)施例1
[0031]如圖1所示，本實(shí)施例所述的基于PDMS芯片的微流體可調(diào)諧光學(xué)濾波器，包括:自發(fā)輻射光源1、帶有雙微通道的PDMS微流體芯片3、光譜儀5以及兩組獨(dú)立工作的注射泵6、7，其中:微流體芯片3的光入射端和出射端分別與自發(fā)輻射光源I和光譜儀5通過耦合光纖2、4相連，微流體芯片3的第一和第二流體注入端分別與兩組獨(dú)立工作的注射泵6、7相連。
[0032]所述的放大自發(fā)輻射光源I通過摻鉺光纖放大器放大，其波長范圍為1528nm - 1573nm,由耦合光纖2進(jìn)入微流體芯片3，經(jīng)過微流體芯片3的光經(jīng)過接收光纖4進(jìn)入到光譜儀5中。
[0033]實(shí)施例中所用的液體分別由液體注射泵6和注射泵7獨(dú)立來控制。裝有液體的注射器置于注射泵的步進(jìn)電機(jī)上，注入速度分別由兩個(gè)注射泵來精確調(diào)節(jié)。注射泵的精度為
0.1 μ L/min。液體通過微管道8和微管道9泵入微流體芯片3的兩個(gè)注入端。
[0034]如圖2所示，所述的微流體芯片3包括:分別位于光入射端10和出射端18的空氣凹透鏡11、17以及兩條帶有注入端12、13和輸出端16且相互連通的液體微通道，其中:液體微通道14平行設(shè)置于空氣凹透鏡11、17之間且中部設(shè)有隔斷部分15。
[0035]耦合光纖2出射端的發(fā)散光，經(jīng)過空氣凹透鏡11聚焦后轉(zhuǎn)為平行光。耦合光纖2的出射端口離空氣凹透鏡距離為200 μ m。兩種不同液體分別由注入端12、13注入通過與入射光平行的液體微通道14。
[0036]所述的微流體芯片3內(nèi)左右兩端設(shè)有寬度為128 μ m的方形截面光纖槽，其中插有外徑為125 μ m的單模光纖。[0037]所述的液體微通道14在中段部分加寬，并在中部設(shè)有隔斷部分15分隔成上下兩個(gè)直通道。入射光沿著液體微通道14傳播，在隔斷部分15處一部分入射光通過直通道上半部分，另一部分入射光通過直通道的下半部分。兩種不同液體在液體微通道14中流動(dòng)時(shí)互混擴(kuò)散形成折射率梯度，通過控制它們的流速可以控制二者之間的界面。從而調(diào)諧入射光的干涉。不同擴(kuò)散程度的液體折射率梯度源于液體間的層流特性。
[0038]所述的隔斷部分15的作用就是用于穩(wěn)定液-液的層流，優(yōu)化濾波曲線的對比度。上下兩部分注入的液體不同且相互之間有擴(kuò)散，因此上下兩部分的光將發(fā)生干涉為:And=mA，其中:m = 1，2，3…K，λ是入射光的波長，Λ η為介質(zhì)的折射率差，d為傳播的距離，由此可見濾波曲線波峰的位置隨著折射率梯度的變化而變化。
[0039]通過液體微通道14的平行光再由第二個(gè)空氣凹透鏡17聚焦耦合進(jìn)入接收光纖18，最后輸入到光譜儀中進(jìn)行分析，濾波曲線可以通過光譜儀存儲(chǔ)記錄。
[0040]如圖3所示，為實(shí)際測量得到的干涉曲線。分別對應(yīng)去離子水和乙二醇在流速比為 10 μ L/min:20 μ L/min,40 μ L/min:5 μ L/min,50 μ L/min:3 μ L/min,60 μ L/min:3 μ L/min時(shí)的濾波曲線。通過控制兩種互混液體的擴(kuò)散程度(流速比)可以對微型濾波器進(jìn)行調(diào)諧，這是因?yàn)椴煌瑪U(kuò)散程度引起的不同折射率梯度從而導(dǎo)致不同的光程差變化。本發(fā)明所制備的濾波器同樣可以探測 到折射率差的微小變化，而且對樣品的折射率沒有限制。
【權(quán)利要求】
1.一種基于PDMS芯片的微流體可調(diào)諧光學(xué)濾波器,其特征在于,包括:自發(fā)福射光源、帶有雙微通道的PDMS微流體芯片、光譜儀以及兩組獨(dú)立工作的注射泵，其中:微流體芯片的光入射端和出射端分別與自發(fā)輻射光源和光譜儀通過耦合光纖相連，微流體芯片的第一和第二流體注入端分別與兩組獨(dú)立工作的注射泵相連； 所述的微流體芯片包括:分別位于光入射端和出射端的空氣凹透鏡以及兩條帶有注入端和輸出端且相互連通的液體微通道，其中:液體微通道平行設(shè)置于空氣凹透鏡之間且中部設(shè)有隔斷部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)諧光學(xué)濾波器，其特征是，所述的自發(fā)輻射光源通過摻鉺光纖放大器放大，其波長范圍為1528nm - 1573nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)諧光學(xué)濾波器，其特征是，所述的注射泵內(nèi)分別裝有兩種不同液體，該注射泵與步進(jìn)電機(jī)相連且注射精度為0.1 μ L/min。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)諧光學(xué)濾波器，其特征是，所述的隔斷部分的長度為300 μ m,最大寬度為30 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)諧光學(xué)濾波器，其特征是，所述的液體微通道的寬度為125 μ m,深度為125 μ m,長度為1mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)諧光學(xué)濾波器，其特征是，所述的微流體芯片內(nèi)左右兩端設(shè)有寬度為128 μ m的方形截面光纖槽,使得插入導(dǎo)光光纖后光纖出射端口和會(huì)聚端口離空氣凹透鏡的距離在200 μ m。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)諧光學(xué)濾波器，其特征是，所述的耦合光纖采用纖芯直徑為9 μ m、外徑為125 μ m的單模光纖，光纖的數(shù)值孔徑為0.14。
8.一種涉及上述任一權(quán)利要求所述可調(diào)諧光學(xué)濾波器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)采用光刻的方法制備出帶有微通道凸結(jié)構(gòu)的陽模，將PDMS澆注于陽模模板上，然后進(jìn)行加熱固化處理； 2)將PDMS聚合物從模板上剝離得到帶有雙微通道結(jié)構(gòu)的單面芯片，將該單面芯片與一表面平整且經(jīng)加熱固化處理的PDMS底板鍵合成為微流體芯片，將微流體芯片組裝后制成微流體可調(diào)諧光學(xué)濾波器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征是，所述的陽模通過AutoCAD設(shè)計(jì)出PDMS微流體芯片中的微結(jié)構(gòu)，采用圖形發(fā)生器把設(shè)計(jì)版圖上的微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到高精度的光掩模板上；在3英寸厚的硅片上均勻甩涂上SU - 83050負(fù)光刻膠，把掩模板放置在甩好負(fù)光刻膠的硅片上，再由曝光機(jī)對其進(jìn)行曝光；10分鐘后，用IPA對硅片進(jìn)行沖洗，掩模板上的圖案轉(zhuǎn)移到負(fù)光刻膠上，經(jīng)光刻顯影得到。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征是，所述的鍵合所涉及的參數(shù)為:采用等離子清洗機(jī)處理芯片表面，氧氣流量為15ml/s，壓力為7.5PSI，使氣體通入時(shí)間為60s。
【文檔編號】B01L3/00GK103920545SQ201410168201
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月24日
【發(fā)明者】鄒蕓, 梁培斯, 黃曉春, 蔡能斌, 劉文斌, 蔡偉思, 糜忠良 申請人:上海市刑事科學(xué)技術(shù)研究院