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光流控传感器及其应用2

基于光波导的光流控传感器


传统的光波导用于折射率检测时,光在固体波导中传播,传播过程中产生的條逝场会与被检测物发生相互作用进而产生相移或强度变化。由于條逝场的趋肤深度相对较小,在固体条件下,被检测物质很难同條逝场进行很强的作用。而液体波导的引入可以增大被检测物质同條逝场的相互作用,实现更高效率的波导传感器。


基于液芯的反谐振反射型波导(ARROW)是一种新型的光流体结构,在液芯中,光与物质的相互作用十分强烈。基于该结构的光流控传感器具有很高的效率和敏感度,而结构却十分精简。Campopiano等率先利用多模液体ARROW实现了光学体折射率传感器。其液体的入口和出口被刻在一块硅基底上,发射光纤和接收光纤被直接插入到液芯中。在液芯的折射率变化时,透射光谱的位移将会发生改变,从而实现对液芯折射率的传感功能。其敏感度可以达到每单位折射率555nm,其可识别的折射率变化为9×10-4。同样的结构还被用于实现水中特定蛋白质的检测。此外,多模液体反谐振反射型波导还可用于实现流式细胞仪应用。由细胞调制的激发光被ARROW限制在光流控沟道内传播,形成了高效的光调制机制。利用水力聚焦将细胞瘤控制在沟道中间,两根光纤被正交地置于沟道两侧以收集荧光的发射光谱。由于多模ARROW具有一个很大的核心区域,大量样品会产生较强的背景信号干扰,使其敏感度降低。随着光流控加工技术的进步,实现了仅几微米的小尺寸沟道,使单模的液芯ARROW可以应用于更高敏感度的检测。Yin等利用pL级别的核心容积实现了对染料分子的荧光检测,其检测的限度可以达到490个分子量级。通过改变芯片的结构设计,利用ARROW还可实现多种功能的光流控传感器。例如利用多模干涉实现波分复用器对单个病毒进行探测,马赫-曾德尔干涉仪等(图3)。


除了利用液芯的ARROW实现光流控传感器外,液-液光流控波导也可以实现利用條逝场的探测功能。在不同种类流体分别从不同入口流入光流控芯片时,他们之间会发生对流扩散,而当入口及出口的压力稳定后,在芯片的沟道内,不同流体之间可以形成稳定的浓度场。其对流扩散过程可以表达为

其中,D为流体间的扩散系数;C为摩尔浓度;U为流体流速。 


不同流体之间按照不同比例混合,其物质的量浓度和折射率之间存在一一对应的关系,因此其形成的浓度场可以进一步引申为折射率场。由式(3)可以看出,*终形成的场的分布主要与流速和扩散系数有关,其中等号左边的项为扩散的影响,等号右边的项为对流的影响。Pelect数(Pe)是一个无量纲的系数,其大小由对流扩散系数,流速和芯片的特征尺寸决定。通过Pe值的大小,可以描述出对流和扩散程度的大小。当Pe值较大时,分布将由对流项主导,此时会在沟道内形成阶跃式的折射率分布。Liang等通过调节通入液体的折射率,使得光以特定角度照射在阶跃的液液界面时,可以发生全反射,利用全反射产生的倏逝场实现了对微纳颗粒的探测和计数。在该应用中,液体被分为3股分别注入到芯片中,通过水力聚焦将中心液体夹流成宽度仅为1μm的窄流。而液体之间具有十分平滑的界面,具有良好的反射条件,如图3(c)、图3(d)所示。其通入的液体分别为混合油(流体1,折射率为1.406,黏滞系数为9.2mPa·s),乙二醇和水的混合液(芯层和流体2,折射率为1.4,黏滞系数为6mPa·s)。光的入射角度为85°,入射角度同流体的折射率进行了相应匹配,可以使光在界面上恰好发生全反射,形成倏逝场,其趋肤深度为1μm,同夹流层的大小相当。颗粒混合在芯层流体中,通过夹流存在于厚度为1μm的全反射界面。当粒子通过倏逝场产生的区域时,被明显地照亮,实现探测和计数的功能。此外,利用阶跃折射率的光流控系统还可实现流式细胞仪等应用。


基于表面等离子共振的光流控传感器


当一束光在一定角度范围内入射到金属表面时,其电磁干扰会导致金属表面产生等离子波,倘若入射光和表面等离子波的传播常数相匹配,金属膜内的电子将会产生共振,使得反射光强度大幅减弱,从而形成一个吸收峰,这就是表面等离子共振(SPR)现象。SPR对金属表面约300nm范围内的折射率十分敏感,利用这一特性,可以实现折射率传感器和生化传感器应用。而SPR同样可以集成于光流控系统中,对液体或液体携带的物质进行分析和检测,实现基于SPR的光流控传感器应用。如Lee等将平行排布沟道的光流控芯片置于金膜上,配体物分子和分析物分子直接同时通入沟道中,在金膜表面进行相互作用,实现了对生物样品的检测和成像,如图4(a)所示。Barik等利用金纳米孔阵列同光流控芯片相结合的方式实现了对生物样品的分析检测,其中,金纳米孔阵列还可产生梯度介电泳力以聚集生物样品,如图4(b)所示。


结论


在光流控系统中,流体流经芯片时,流体本身和其携带的物质的折射率会对光的传播产生影响。传统的光学传感器同光流控系统相结合时,流体的折射率变化可以直接对光传感器产生响应,从而形成高集成度、小型化、低成本的光流控传感器。在光流控传感器中,有几个典型的结构,即光子晶体谐振腔、WGM模式、光波导及表面等离子体共振。这几种结构对其周边的折射率环境都十分敏感,微小的折射率差异可以导致光响应信号的变化,这一特性使得光流控传感器对折射率具有很高的敏感度。 


通过对基于不同结构的光流控传感器的分析,得出如下结论:(1)将光子晶体谐振腔同光流控系统相结合时,可以通过设计芯片结构使得流体通过光子晶体谐振腔的孔洞,孔洞内的折射率变化会令光信号的特征波长发生偏移,从而实现光流控传感器应用。这种类型的传感器可以用于测量气体浓度、液体折射率及生化分子的分析检测。(2)利用WGM腔体的光流控传感器可以在腔体中产生谐振,具有一个特征波长,并且特征波长对腔内环境十分敏感。由此,利用腔体的光流控传感器具有很高的灵敏度,同时仅对特征波长的强度和偏移观测,即可推断出相应参数的变化。由于流体是微纳粒子和生物分子的天然载体,使得基于腔体的光流控传感器在测量微小的生化物质方面具有得天独厚的优势。这类传感器在物质浓度检测和生化检测方面具有广泛的应用前景。(3)基于光波导的传感器利用全反射产生的條逝场对物质进行探测,这种探测方式具有精简的结构,同时还具备高效率和高敏感度的特征,在生化检测,微小颗粒的分析上具有很大潜力。(4)基于表面等离子体共振的光流控传感器利用SPR对金属膜表面300nm范围内折射率的变化十分敏感。当生物分子通过这一区域时,SPR的吸收峰会发生偏移,从而实现对生物分子的分析。这种传感器无需对分析物进行标记,可以简化检测流程。此外,SPR对折射率的敏感性也令其具有较高的测量灵敏度,使其在快速生化检测方面具有广泛的应用潜力。 


在未来对微小粒子的探测中,尤其是对生物分子的分析和探测,离不开液体环境。光流控传感器将液体环境和光探测手段有机结合,在液体环境生化探测领域发挥出巨大潜能。随着光流控技术的发展,未来具有独特结构的光流控传感器将具有巨大的开发和应用价值。