光纖端面無標記光學傳感元件與微流體集成結構的制作方法
【專利摘要】本發明提供一種光纖端面無標記光學傳感元件與微流體集成結構，至少包括：微流體結構；以及至少一根端面具有無標記光學傳感元件的光纖，所述光纖具有無標記光學傳感元件的一端插入至所述微流體框體內部。本發明將具有無標記光學傳感元件的光纖與微流體進行集成，具有結構簡單、靈活方便、穩定性好、微流體芯片的生物樣品使用量少、生物分子擴散距離短、多通道并行檢測、微流體功能集成等優點。本發明適用于工業生產。
【專利說明】光纖端面無標記光學傳感元件與微流體集成結構
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種生物傳感器領域，特別是涉及一種光纖端面無標記光學傳感元件與微流體集成結構。
【背景技術】
[0002]無標記生物光學傳感技術已被廣泛地應用于生物制藥過程監控和蛋白質研究應用。為了減小生物樣品的使用量、減少生物分子擴散距離、多通道并行檢測等目的，常希望將傳感部件集成在微流體芯片的通道中。同時，通過微流體技術可以將多種其它功能與傳感集成在Iv芯片上。
[0003]另一方面，無標記生物光學傳感技術與光纖導波的結合也得到重視，這可以使傳感系統中的光學通路由光纖實現，減小系統的復雜性和體積，提高系統的可靠性與便攜性。多數基于光纖的無標記光學傳感元件通常沿光纖伸展方向長達毫米級別。比如制備在光纖側壁的貴金薄膜可以通過表面等離激元共振的方式對附著于貴金薄膜表面的分子進行檢測，其中表面等離激元共振表現為反射或透射光譜的諧振峰，當生物分子附著于貴金薄膜的表面，則諧振峰的波長相應移動，或者同一波長的反射率發生相應變化，從而可以檢測附著分子的數量。又例如光纖布拉格光柵通過光柵反射譜的中心反射波長的移動來檢測附著分子的數量。
[0004]然而，毫米級別長度的光纖傳感元件造成了與微流體芯片集成的困難。這是因為，首先光纖傳感元件的長度限制了微流體通道的尺寸不能過小。其次，光纖的存在使得微流體通道中的流速分布和濃度分布不均勻，從而傳感元件的不同區域可能探測到不同的信號強度。最后，光纖側壁的傳感區域必須得到保護，稍有刮碰即造成損壞。
[0005]近年來，隨著納米加工技術的不斷進步，人們開始研究制備于光纖端面(垂直于光纖方向的平面)的無標記生物傳感元件，這包括基于表面等離激元共振的貴金屬納米結構、基于光子晶體共振的介質納米結構、基于波導耦合的結構等等。但是并沒有人提出將這些傳感元件與微流體通道集成。本發明正是關注到了這一類光纖端面的無標記光學生物傳感元件與微流體技術的良好兼容性，提出集成二者，以獲得小樣品使用量、多通道并行檢測、光纖導波等優點。
【發明內容】
[0006]鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種光纖端面無標記光學傳感元件與微流體集成結構及其制作方法，用于解決現有技術中的上述問題，獲得小樣品使用量、多通道并行檢測、光纖導波等優點的光纖端面無標記光學傳感元件與微流體集成結構。
[0007]為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種光纖端面無標記光學傳感元件與微流體集成結構，至少包括:
[0008]微流體結構；
[0009]至少一根端面具有無標記光學傳感元件的光纖，所述光纖具有無標記光學傳感元件的一端插入至所述微流體框體內部。
[0010]作為本發明的光纖端面無標記光學傳感兀件與微流體集成結構的一種優選方案，所述微流體結構至少包括微流體通道、微流體入口及微流體出口。
[0011]進一步地，所述微流體通道的形狀為圓柱狀、多邊形柱狀或圓角多邊形柱狀。
[0012]作為本發明的光纖端面無標記光學傳感兀件與微流體集成結構的一種優選方案，所述微流體結構的材質為聚合物或玻璃。
[0013]作為本發明的光纖端面無標記光學傳感兀件與微流體集成結構的一種優選方案，所述無標記光學傳感元件為具有二維周期性網格狀納米線槽的貴金屬薄膜。
[0014]作為本發明的光纖端面無標記光學傳感兀件與微流體集成結構的一種優選方案，所述二維周期性網格狀納米線槽的在兩個垂直方向的周期相等且為200?2000nm，納米線槽的線寬為10?200nm。
[0015]作為本發明的光纖端面無標記光學傳感兀件與微流體集成結構的一種優選方案，所述貴金屬薄膜為Au薄膜、Ag薄膜或Al薄膜。
[0016]作為本發明的光纖端面無標記光學傳感兀件與微流體集成結構的一種優選方案，所述貴金屬薄膜的厚度為10?lOOnm。
[0017]作為本發明的光纖端面無標記光學傳感兀件與微流體集成結構的一種優選方案，具有兩根或兩根以上的端面具有無標記光學傳感元件的光纖。
[0018]如上所述，本發明提供一種光纖端面無標記光學傳感元件與微流體集成結構，至少包括:微流體結構；以及至少一根端面具有無標記光學傳感元件的光纖，所述光纖具有無標記光學傳感元件的一端插入至所述微流體框體內部。本發明將具有無標記光學傳感元件的光纖與微流體進行集成，具有結構簡單、靈活方便、穩定性好、微流體芯片的生物樣品使用量少、生物分子擴散距離短、多通道并行檢測、微流體功能集成等優點。本發明適用于工業生產。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1?圖2顯示為本發明的光纖端面無標記光學傳感元件與微流體集成結構的結構示意圖。
[0020]圖3?圖9顯示為本發明的光纖端面無標記光學傳感元件與微流體集成結構的一種制作方法各步驟所呈現的結構示意圖。
[0021]圖10顯示為本發明的光纖端面無標記光學傳感元件與微流體集成結構應用的一種測試系統的結構示意圖。
[0022]圖11顯示為本發明的光纖端面無標記光學傳感元件與微流體集成結構在測試中獲得的反射譜圖。
[0023]元件標號說明
[0024]20微流體結構
[0025]201微流體通道
[0026]202微流體入口
[0027]203微流體出口
[0028]21光纖
[0029]211無標記光學傳感元件
【具體實施方式】
[0030]以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的【具體實施方式】加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。
[0031]請參閱圖1?圖11。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為復雜。
[0032]實施例1
[0033]如圖1?圖2所示，本實施例提供一種光纖端面無標記光學傳感元件與微流體集成結構，至少包括:
[0034]微流體結構20 ；
[0035]至少一根端面具有無標記光學傳感元件211的光纖21，所述光纖21具有無標記光學傳感元件211的一端插入至所述微流體框體內部。
[0036]作為示例，所述微流體結構20至少包括微流體通道201、微流體入口 202及微流體出口 203，當然，所述微流體結構20中還具有至少一個用于插入光纖的通孔。其中，所述微流體結構20可以通過倒模、激光切割、微納加工工藝等方法制備。
[0037]進一步地，所述微流體通道201的形狀為圓柱狀、多邊形柱狀或圓角多邊形柱狀，當然，所述微流體通道201的形狀并不限于此處所列舉的幾種。
[0038]作為示例，所述微流體結構20的材質為聚合物或玻璃，當然，所述微流體結構20的材質可以為一切預期的固體材料，并不限于此處所列舉的幾種。
[0039]作為示例，所述無標記光學傳感元件211具體為一種基于表面等離激元共振原理的無標記生物光學傳感元件。如圖2所示，所述無標記光學傳感元件211為具有二維周期性網格狀納米線槽的貴金屬薄膜。當然，在其它的實施例中，所述無標記光學傳感元件211可以為具有一維或二維周期性光柵結構的貴金屬或介質薄膜、二維周期性多孔結構的貴金屬薄膜等，且并不限于此處所列舉的幾種結構。
[0040]作為示例，所述二維周期性網格狀納米線槽的在兩個垂直方向的周期相等且為200?2000nm，納米線槽的線寬為10?200nm。當然，在實際應用中納米線槽的周期可以根據所需要的光波長而更改。
[0041]作為示例，所述貴金屬薄膜為Au薄膜、Ag薄膜或Al薄膜，且并不限于此處所列舉的幾種。
[0042]作為示例,所述貴金屬薄膜的厚度為10?lOOnm。
[0043]其中，所述無標記光學傳感元件211的制作方法為，先采用電子束蒸發的方法于光纖21的端面上沉積一層金薄膜，然后采用聚焦離子束刻蝕方法于所述金薄膜上刻出二維周期性網格狀的納米線槽結構。
[0044]作為示例，具有兩根或兩根以上的端面具有無標記光學傳感元件211的光纖21。采用多根端面具有無標記光學傳感元件211的光纖21并行的結構，可以使該集成結構實現多通道并行傳感。
[0045]實施例2
[0046]如圖3?圖9所示，本實施例提供一種光纖端面無標記光學傳感元件與微流體集成結構的制作方法，至少包括以下步驟:
[0047]如圖3?圖6所示，首先進行步驟1)，形成至少具有一平直面、且于該平直面內具有微流體凹槽105及至少一個與該微流體凹槽105相連的線狀溝槽106的聚合物結構104。
[0048]作為示例，步驟I)包括以下步驟:
[0049]如圖3所示，首先進行步驟1-1)，提供一底部為平直面的容器101，于該容器101底部固定一具有預設形狀的固體塊102及至少一個與該固體塊102相連的線體結構103，所述線體結構103與光纖的大小及形狀一致。
[0050]如圖4所示，然后進行步驟1-2)，將液態的聚合物倒入所述容器101中，并固化成型；
[0051]如圖5?圖6所示，最后進行步驟1-3)，對所述聚合物進行切割并從所述容器101中取出，形成至少具有一平直面、且于該平直面內具有微流體凹槽105及至少一個與該微流體凹槽105相連的線狀溝槽106的聚合物結構104。
[0052]具體地，所述聚合物為二甲基硅氧烷PDMS。本實施例使用容器101為培養皿，其底面事先粘貼一條3 X 11 X 3mm的塑料條、及一根直徑125 μ m的光纖，形成一個模子。然后將二甲基硅氧烷PDMS主劑與固化劑以10:1的質量比混合，利用玻璃棒攪拌15分鐘，之后將其放入低真空箱中放置到內部氣泡消失。將PDMS混合液倒入模子中，深度大約為5_。接著將PDMS混合液與模子置于常溫24小時使其固化。之后，將固化的PMDS切割出20mm長、20mm寬的一片并從模子上揭起，其中，切割出的PDMS包含了塑料條和125 μ m直徑的光纖留下的空間。
[0053]當然，上述結構也可以通過其他的加工手段形成，如激光切割、微納加工工藝等，且并不限于以上所列舉的幾種。
[0054]如圖7?圖8所示，然后進行步驟2)，提供一承載片107及至少一根端面制作有無標記光學傳感元件109的光纖108，將所述光纖108嵌入所述線狀溝槽106中并將所述聚合物結構104的平直面與所述承載片107進行粘合，其中，所述光纖108制作有無標記光學傳感元件109的一端暴露于所述微流體凹槽105中.
[0055]作為示例，所述無標記光學傳感元件109具體為一種基于表面等離激元共振原理的無標記生物光學傳感元件。
[0056]作為示例，如圖8所示，首先于光線端面制作無標記光學傳感元件109，包括以下步驟:
[0057]提供單模光纖108，采用電子束蒸發的方法于所述單模光纖的端面上沉積一層金薄膜。在本實施例中，所述金薄膜的厚度為25nm。當然，所述金薄膜的厚度可以依據實際需求進行改變，并不限定于此。
[0058]采用聚焦離子束刻蝕方法于所述金薄膜上刻出二維周期性網格狀的納米線槽結構。在本實施例中，納米線槽寬度為50nm，納米線槽網格在兩個垂直方向的周期相等且均為770nm，當然，在實際應用中納米線槽的周期可以根據所需要的光波長而更改。
[0059]作為示例，所述承載片107為玻璃片。
[0060]作為示例，粘合的步驟包括:先對所述聚合物結構104的平直面及所述承載片107進行氧等離子體活化處理，然后將所述光纖108嵌入所述線狀溝槽106中，接著將所述平直面與所述承載片107進行粘合，最后，放入60攝氏度烘箱中烘烤半小時使其牢固的粘合在一起。至此，所述微流體凹槽105對應的空間就是微流體通道，而光纖端面的無標記光學傳感元件已經集成在微流體通道中。
[0061]如圖9所示，最后進行步驟3)，于所述聚合物結構104中制作出至少兩個從表面貫穿至所述微流體凹槽105的通孔，并分別于各該通孔中插入導流管110。
[0062]作為示例，在微流體凹槽105兩端的上壁用0.9mm打孔器打出兩個通孔，并在各該通孔中插入導流管110。在本實施例中，所述導流管110為0.9mm/Imm的內/外直徑的聚乙烯管。如果需要并行檢測，只需用同樣的工藝在同一微流體通道集成多根端面制作有無標記光學傳感元件109的光纖108即可。
[0063]需要說明的是，如上加工工藝只是為了簡單實現此器件結構，通過傳統的微納加工工藝可以很容易的得到更小的微流體通道和更準確的光纖定位。
[0064]如圖10?圖11所示，在完成所述光纖端面無標記光學傳感元件與微流體集成結構的制作后，本實施例對該集成結構進行了測試。首先，往微流體通道中分別注入了水和99.8%濃度乙醇溶液，然后分別測試了其對應的傳感器反射譜以驗證此集成結構對溶液折射率變化的傳感性能。在此測試中，采用150W溴鎢燈作為光源，并通過一個50 X顯微物鏡將光耦合入單模光纖之中，通過一個2X2的光纖耦合器來連接此單模光纖、端面制備有無標記光學傳感元件的光纖、及光譜儀，如圖10所示。所述耦合器有兩個輸入端和兩個輸出端，光從任一個輸入端進入后，以50%的功率分別從兩個輸出端分別輸出；反過來也一樣，即光從任一個輸出端(反向)進入后，以50%的功率分別從兩個輸入端分別輸出。耦合器的輸入I連接光源一側的單模光纖，輸入2連接光譜儀，輸出I與插入微流體通道的端面制備有無標記光學傳感元件的光纖相連，輸出2空置。如此，從光源耦合入單模光纖的光經由率禹合器的輸入1-輸出I到達光纖端面的無標記光學傳感兀件，而無標記光學傳感兀件的反射光經由耦合器的輸出1-輸入2到達光譜儀。我們分別測試了微流體通道中注入水或者99.8%濃度的乙醇溶液時的反射光譜，并將之除以光纖端面為25nm厚度連續金膜時的反射譜，得到如圖11所示的歸一化反射光譜，其折射率靈敏度為714nm/RIU。
[0065]綜上所述，本發明提供一種光纖端面無標記光學傳感元件與微流體集成結構，至少包括:微流體結構；以及至少一根端面具有無標記光學傳感元件的光纖，所述光纖具有無標記光學傳感元件的一端插入至所述微流體框體內部。本發明將具有無標記光學傳感元件的光纖與微流體進行集成，具有結構簡單、靈活方便、穩定性好、微流體芯片的生物樣品使用量少、生物分子擴散距離短、多通道并行檢測、微流體功能集成等優點。本發明適用于工業生產。所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。
[0066]上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用于限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬【技術領域】中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。
【權利要求】
1.一種光纖端面無標記光學傳感元件與微流體集成結構，其特征在于，至少包括: 微流體結構； 至少一根端面具有無標記光學傳感元件的光纖，所述光纖具有無標記光學傳感元件的一端插入至所述微流體框體內部。
2.根據權利要求1所述的光纖端面無標記光學傳感元件與微流體集成結構，其特征在于:所述微流體結構至少包括微流體通道、微流體入口及微流體出口。
3.根據權利要求2所述的光纖端面無標記光學傳感元件與微流體集成結構，其特征在于:所述微流體通道的形狀為圓柱狀、多邊形柱狀或圓角多邊形柱狀。
4.根據權利要求1所述的光纖端面無標記光學傳感元件與微流體集成結構，其特征在于:所述微流體結構的材質為聚合物或玻璃。
5.根據權利要求1所述的光纖端面無標記光學傳感元件與微流體集成結構，其特征在于:所述無標記光學傳感元件為具有二維周期性網格狀納米線槽的貴金屬薄膜。
6.根據權利要求5所述的光纖端面無標記光學傳感元件與微流體集成結構，其特征在于:所述二維周期性網格狀納米線槽的在兩個垂直方向的周期相等且為200?2000nm，納米線槽的線寬為10?200nm。
7.根據權利要求5所述的光纖端面無標記光學傳感元件與微流體集成結構，其特征在于:所述貴金屬薄膜為Au薄膜、Ag薄膜或Al薄膜。
8.根據權利要求5所述的光纖端面無標記光學傳感元件與微流體集成結構，其特征在于:所述貴金屬薄膜的厚度為10?lOOnm。
9.根據權利要求1所述的光纖端面無標記光學傳感元件與微流體集成結構，其特征在于:具有兩根或兩根以上的端面具有無標記光學傳感元件的光纖。
【文檔編號】G01N21/01GK104165841SQ201310182850
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2013年5月16日 優先權日:2013年5月16日
【發明者】楊天, 賀曉龍, 范旭東 申請人:上海交通大學