一種基于嵌套波導(dǎo)管的傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及傳感器領(lǐng)域，特別涉及一種基于嵌套波導(dǎo)管的傳感器，可用于生化領(lǐng)域的液體和氣體樣品的折射率檢測和吸光度檢測。
【背景技術(shù)】
[0002]折射率和吸光度是重要的材料特性參數(shù)，測試樣品的折射率或吸光度可以獲知樣品的成份和濃度等相關(guān)信息，并且光學(xué)檢測具有抗電磁干擾和快速響應(yīng)的特點。因此，基于吸光度檢測的分光光度計(或稱比色計)和基于折射率檢測的表面等離子體共振(SPR)傳感器，廣泛用于生化分析領(lǐng)域。
[0003]對于分光光度計，需要將待測樣品置于比色皿中進行測試(Sensors andActuators B，191，561-566 (2014))。為了提高測試精度，需要增加比色皿的厚度(即比色皿中探測光的傳輸距離，或稱“光程”)，這使得比色皿的體積增加、需要的樣品量增多，并且無法實時檢測樣品的濃度變化和反應(yīng)進程。
[0004]對于SPR 傳感器，文獻 Instrumentat1n Science and Technology，41，574-607 (2013)報道，目前主要有兩種結(jié)構(gòu):棱鏡表面鍍金屬膜，光纖表面鍍金屬膜。光波在金屬膜中激發(fā)等離子體，需要滿足嚴(yán)格的條件(比如，最佳的光束入射角和金屬膜厚度等)，因此制備工藝復(fù)雜。此外，光束與金屬膜的相互作用次數(shù)有限，為了提高靈敏度，需要增加光程。對于光纖結(jié)構(gòu)，雖然光束在光纖內(nèi)部可以多次反射傳輸；但是，為了滿足全反射條件，入射角需要大于臨界角，因此光程并沒有得到大幅增加。
[0005]專利US 5507447涉及一種液體導(dǎo)光波導(dǎo)，其一種結(jié)構(gòu)是米用一種低折射率的有機塑料制備毛細(xì)管，由于該塑料的折射率小于水的折射率，光束在液體與塑料的界面會發(fā)生全反射，從而將光束限制在毛細(xì)管中傳輸；但是塑料中的間隙會吸附液體，導(dǎo)致毛細(xì)管污染，從而干擾檢測結(jié)果。其另一種結(jié)構(gòu)是采用一種低折射率的有機塑料包覆玻璃毛細(xì)管，由于該塑料的折射率小于玻璃的折射率，光束在玻璃與塑料的界面會發(fā)生全反射，從而將光束限制在毛細(xì)管中傳輸。但是由于石英的折射率要大于有機塑料和水的折射率，光波更傾向于在石英管側(cè)壁內(nèi)傳輸，而不是在液體中傳輸，因此會降低檢測精度。
[0006]綜上，現(xiàn)有的傳感器不能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)測樣品的濃度變化和反應(yīng)進程，并且測試系統(tǒng)復(fù)雜，檢測精度低，樣品需求量大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種新的吸光度和折射率的檢測傳感器。本發(fā)明提供的一種基于嵌套波導(dǎo)管的傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)測樣品的濃度變化和反應(yīng)進程、簡化測試系統(tǒng)，還可以增加光程、提高檢測精度和減小樣品需求量。
[0008]本發(fā)明提供的一種基于嵌套波導(dǎo)管的傳感器，其技術(shù)方案是:
[0009]—種基于嵌套波導(dǎo)管的傳感器，包括光源、光探測器和嵌套波導(dǎo)管，嵌套波導(dǎo)管的一端設(shè)置有發(fā)射探測光束的光源，另一端設(shè)置有接收探測光束的光探測器；嵌套波導(dǎo)管包括內(nèi)部光波導(dǎo)和側(cè)壁能夠反射探測光束的外部毛細(xì)管，內(nèi)部光波導(dǎo)嵌套在外部毛細(xì)管的內(nèi)部并形成有間隙。
[0010]優(yōu)選地，外部毛細(xì)管的側(cè)壁和/或內(nèi)部光波導(dǎo)的側(cè)壁設(shè)置有薄膜或者顆粒。
[0011]優(yōu)選地，薄膜的厚度是lnm?lOOOnm ;顆粒的尺寸大小是lnm?lOOOnm。
[0012]優(yōu)選地，薄膜是金屬材質(zhì)的薄膜或者是光學(xué)介質(zhì)材質(zhì)的薄膜；顆粒是金屬材質(zhì)的顆粒或者是光學(xué)介質(zhì)材質(zhì)的顆粒。
[0013]優(yōu)選地，顆粒通過對薄膜進行退火處理的方式得到。
[0014]優(yōu)選地，外部毛細(xì)管的側(cè)壁表面和/或內(nèi)部光波導(dǎo)的側(cè)壁表面存在光滑的波紋起伏。
[0015]優(yōu)選地，外部毛細(xì)管的內(nèi)部設(shè)置有多根內(nèi)部光波導(dǎo)。
[0016]優(yōu)選地，外部毛細(xì)管是金屬毛細(xì)管、玻璃毛細(xì)管或者塑料毛細(xì)管中的一種；玻璃毛細(xì)管的側(cè)壁或塑料毛細(xì)管的側(cè)壁鍍有金屬薄膜或者光學(xué)介質(zhì)薄膜，金屬毛細(xì)管的內(nèi)壁經(jīng)過拋光處理。
[0017]優(yōu)選地，內(nèi)部光波導(dǎo)是玻璃棒、塑料棒、金屬棒、玻璃管或者塑料管中的一種。
[0018]優(yōu)選地，嵌套波導(dǎo)管的兩端設(shè)置有密封蓋，所述密封蓋上設(shè)置有透光蓋板；嵌套波導(dǎo)管一端的密封蓋上設(shè)置有樣品入口，另一端的密封蓋上設(shè)置有樣品出口，樣品入口和樣品出口的開口方向向上。
[0019]本發(fā)明的實施包括以下技術(shù)效果:
[0020]本發(fā)明提供的一種基于嵌套波導(dǎo)管的傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)測樣品的濃度變化和反應(yīng)進程、簡化測試系統(tǒng)，還可以增加光程、提高檢測精度和減小樣品需求量。與基于比色皿或?qū)Ч饷?xì)管(例如美國專利US 5507447)的分光光度計相比，本發(fā)明的嵌套波導(dǎo)管結(jié)構(gòu)，使得探測光束可以在多個波導(dǎo)之間進行反射傳輸，不同波導(dǎo)側(cè)壁對探測光束的反射可以進一步增加光傳播距離(即光程)。此外，不同的波導(dǎo)側(cè)壁，可以附著不同的薄膜或顆粒，用于吸附待測物質(zhì)、增強吸光度、提高檢測靈敏度。特別是，通過改變側(cè)壁上的金屬薄膜或金屬顆粒的尺寸，可以調(diào)節(jié)sro效應(yīng)，提尚靈敏度。
[0021]與基于棱鏡或光纖的SPR傳感器相比，本發(fā)明的嵌套波導(dǎo)管結(jié)構(gòu)，無需嚴(yán)格控制探測光束的入射角，當(dāng)探測光束逃逸出內(nèi)部光波導(dǎo)時(即探測光束入射角小于全反射臨界角時)，經(jīng)外部毛細(xì)管的反射可以重新返回到內(nèi)部光波導(dǎo)中，因此增加了探測光束與側(cè)壁上的薄膜(或顆粒)的相互作用次數(shù)，從而提高靈敏度。本發(fā)明的嵌套波導(dǎo)管結(jié)構(gòu)，打破了傳統(tǒng)SPR傳感器對探測光束入射角的限制，探測光束入射角可以小于臨界角，從而大幅增加光程，提高靈敏度。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明實施例一種基于嵌套波導(dǎo)管的傳感器實施例1的嵌套波導(dǎo)管的結(jié)構(gòu)示意圖(其中內(nèi)部光波導(dǎo)的外表面鍍有薄膜)；
[0023]圖2為本發(fā)明實施例一種基于嵌套波導(dǎo)管的傳感器實施例2的嵌套波導(dǎo)管的結(jié)構(gòu)示意圖(其中外部毛細(xì)管的內(nèi)表面附著有顆粒)；
[0024]圖3為本發(fā)明實施例一種基于嵌套波導(dǎo)管的傳感器實施例3的嵌套波導(dǎo)管的結(jié)構(gòu)示意圖(其中內(nèi)部光波導(dǎo)的外表面附著有顆粒)；
[0025]圖4為本發(fā)明實施例一種基于嵌套波導(dǎo)管的傳感器實施例4的嵌套波導(dǎo)管的結(jié)構(gòu)示意圖(其中內(nèi)部光波導(dǎo)為管狀結(jié)構(gòu)，且外表面附著顆粒)；
[0026]圖5為本發(fā)明實施例一種基于嵌套波導(dǎo)管的傳感器剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]1、外部毛細(xì)管；2、內(nèi)部光波導(dǎo)；3、間隙；4、薄膜；5、顆粒；7、外部毛細(xì)管內(nèi)徑；8、光源；9、探測光束；10、密封蓋；11、樣品入口 ； 12、樣品出口 ； 13、光探測器；14、透光蓋板；15、嵌套波導(dǎo)管。
【具體實施方式】
[0028]下面將結(jié)合實施例以及附圖對本發(fā)明加以詳細(xì)說明，需要指出的是，所描述的實施例僅旨在便于對本發(fā)明的理解，而對其不起任何限定作用。
[0029]參見圖1至圖5所示的一種基于嵌套波導(dǎo)管的傳感器，包括光源8、光探測器13和嵌套波導(dǎo)管15，嵌套波導(dǎo)管15的一端設(shè)置有發(fā)射探測光束9的光源8，另一端設(shè)置有接收探測光束9的光探測器13 ;嵌套波導(dǎo)管15包括外部毛細(xì)管1和內(nèi)部光波導(dǎo)2，本實施例中，外部毛細(xì)管1是側(cè)壁能夠反射探測光束9的毛細(xì)管，內(nèi)部光波導(dǎo)2的直徑小于外部毛細(xì)管1的內(nèi)徑，內(nèi)部光波導(dǎo)2嵌套在外部毛細(xì)管1的內(nèi)部并形成有間隙3，間隙3用于流通待測樣品。因為外部毛細(xì)管1的側(cè)壁可以反射探測光束9，光源8發(fā)射的探測光束9可以在外部毛細(xì)管1的側(cè)壁與內(nèi)部光波導(dǎo)2之間來回反射傳輸，從而大幅提高光程。如圖1所示，嵌套波導(dǎo)管15的外部毛細(xì)管1與內(nèi)部光波導(dǎo)2之間存在用于流通待測樣品的間隙3，由于嵌套波導(dǎo)管15內(nèi)部的間隙3體積很小，需要的樣品量也很少，因此可以進行樣品的快速切換，從而縮短樣品切換時間、減少噪聲影響、提高檢測精度。
[0030]參見圖1至圖4所示，外部毛細(xì)管1的側(cè)壁和/或內(nèi)部光波導(dǎo)2的側(cè)壁可以鍍上(或粘附上)薄膜4或者顆粒5。作為優(yōu)選，薄膜4的厚度和顆粒5的尺寸大小是lnm?lOOOnm，優(yōu)選10nm?lOOnm，當(dāng)外部毛細(xì)管1或內(nèi)部光波導(dǎo)2的側(cè)壁的薄膜4厚度(或顆粒5尺寸)達(dá)到納米量級時，可以產(chǎn)生SPR效應(yīng)，從而利用SPR效應(yīng)檢測樣品的折射率和吸光度，提高了檢測精度；特別是在內(nèi)部光波導(dǎo)的外壁(即外表面)鍍薄膜4或設(shè)置顆粒5，具有工藝簡單易行的特點。進一步的，通過改變薄膜4的厚度和顆粒5的尺寸，可以調(diào)節(jié)其吸收光譜，從而實現(xiàn)特征吸收波長與探測光束9的波長相匹配，優(yōu)化檢測靈敏度。本實施例中薄膜4優(yōu)選金屬材質(zhì)的薄膜4或者是光學(xué)介質(zhì)材質(zhì)的薄膜4 ;顆粒5優(yōu)選金屬材質(zhì)的顆粒5或光學(xué)介質(zhì)材質(zhì)的顆粒5。顆粒5可以通過對薄膜4進行高溫退火的方式得到，調(diào)節(jié)退火的時間和溫度可以改變顆粒5的尺寸。設(shè)置在外部毛細(xì)管1側(cè)壁和內(nèi)部光波導(dǎo)2側(cè)壁的薄膜4和顆粒5，當(dāng)其表面吸附待測物質(zhì)(如蛋白質(zhì)、抗原、抗體、DNA、RNA)時，其吸收光譜會發(fā)生改變，探測光束9在外部毛細(xì)管1側(cè)壁與內(nèi)部光波導(dǎo)2之間來回反射傳輸，可以多次通過內(nèi)部光波導(dǎo)2側(cè)壁(或外部毛細(xì)管1側(cè)壁)的薄膜4或顆粒5，從而提高檢測靈敏度。因此，通過檢測特定波長下的吸光度變化，可以獲知金屬顆粒5表面的吸附物質(zhì)濃度變化。參見圖2和圖3所示，顆粒5固定在外部毛細(xì)管1或者內(nèi)部光波導(dǎo)2的側(cè)壁上，與流動狀態(tài)的顆粒5相比，固定狀態(tài)的顆粒5的測試信號更為靈敏和穩(wěn)定，并且可以實時監(jiān)測樣品在顆粒5表面的吸附過程和反應(yīng)過程。
[0031]作為優(yōu)選，外部毛細(xì)管1的側(cè)壁表面和內(nèi)部光波導(dǎo)2的側(cè)壁表面存在光滑的波紋起伏，可以使探測光束9的入射角發(fā)生改變，從而增加探測光束9在嵌套波導(dǎo)管15中的傳輸光程，以提高檢測精度。同時，光滑的波紋起伏表面，可以減少光學(xué)散射損耗，降低探測光束9的傳輸損耗。本實施例中進一步優(yōu)選，外部毛細(xì)管1可以容納單根或多根內(nèi)部光波導(dǎo)2(即內(nèi)部光波導(dǎo)2的數(shù)量是一根或多于一根)，可以提高檢測精度。
[0032]外部毛細(xì)管1可以選擇金屬毛細(xì)管、玻璃毛細(xì)管或塑料毛細(xì)管中的一種；優(yōu)選玻璃毛細(xì)管和塑料毛細(xì)管的側(cè)壁鍍有金屬薄膜或光學(xué)介質(zhì)薄膜，金屬毛細(xì)管的內(nèi)壁優(yōu)選經(jīng)過拋