一種基于嵌套波導管的傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及傳感器領域，特別涉及一種基于嵌套波導管的傳感器，可用于生化領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】
[0002]折射率和吸光度是重要的材料特性參數，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信息，并且光學檢測具有抗電磁干擾和快速響應的特點。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，目前主要有兩種結構: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等離子體，需要滿足嚴格的條件(比如，最佳的光束入射角和金屬膜厚度等)，因此制備工藝復雜。此外，光束與金屬膜的相互作用次數有限，為了提高靈敏度，需要增加光程。對于光纖結構，雖然光束在光纖內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涉及一種液體導光波導，其一種結構是米用一種低折射率的有機塑料制備毛細管，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生全反射，從而將光束限制在毛細管中傳輸；但是塑料中的間隙會吸附液體，導致毛細管污染，從而干擾檢測結果。其另一種結構是采用一種低折射率的有機塑料包覆玻璃毛細管，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生全反射，從而將光束限制在毛細管中傳輸。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壁內傳輸，而不是在液體中傳輸，因此會降低檢測精度。
[0006]綜上，現有的傳感器不能夠實現實時監測樣品的濃度變化和反應進程，并且測試系統復雜，檢測精度低，樣品需求量大。
【發明內容】
[0007]本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種新的吸光度和折射率的檢測傳感器。本發明提供的一種基于嵌套波導管的傳感器，能夠實現實時監測樣品的濃度變化和反應進程、簡化測試系統，還可以增加光程、提高檢測精度和減小樣品需求量。
[0008]本發明提供的一種基于嵌套波導管的傳感器，其技術方案是:
[0009]—種基于嵌套波導管的傳感器，包括光源、光探測器和嵌套波導管，嵌套波導管的一端設置有發射探測光束的光源，另一端設置有接收探測光束的光探測器；嵌套波導管包括內部光波導和側壁能夠反射探測光束的外部毛細管，內部光波導嵌套在外部毛細管的內部并形成有間隙。
[0010]優選地，外部毛細管的側壁和/或內部光波導的側壁設置有薄膜或者顆粒。
[0011]優選地，薄膜的厚度是lnm?lOOOnm ;顆粒的尺寸大小是lnm?lOOOnm。
[0012]優選地，薄膜是金屬材質的薄膜或者是光學介質材質的薄膜；顆粒是金屬材質的顆粒或者是光學介質材質的顆粒。
[0013]優選地，顆粒通過對薄膜進行退火處理的方式得到。
[0014]優選地，外部毛細管的側壁表面和/或內部光波導的側壁表面存在光滑的波紋起伏。
[0015]優選地，外部毛細管的內部設置有多根內部光波導。
[0016]優選地，外部毛細管是金屬毛細管、玻璃毛細管或者塑料毛細管中的一種；玻璃毛細管的側壁或塑料毛細管的側壁鍍有金屬薄膜或者光學介質薄膜，金屬毛細管的內壁經過拋光處理。
[0017]優選地，內部光波導是玻璃棒、塑料棒、金屬棒、玻璃管或者塑料管中的一種。
[0018]優選地，嵌套波導管的兩端設置有密封蓋，所述密封蓋上設置有透光蓋板；嵌套波導管一端的密封蓋上設置有樣品入口，另一端的密封蓋上設置有樣品出口，樣品入口和樣品出口的開口方向向上。
[0019]本發明的實施包括以下技術效果:
[0020]本發明提供的一種基于嵌套波導管的傳感器，能夠實現實時監測樣品的濃度變化和反應進程、簡化測試系統，還可以增加光程、提高檢測精度和減小樣品需求量。與基于比色皿或導光毛細管(例如美國專利US 5507447)的分光光度計相比，本發明的嵌套波導管結構，使得探測光束可以在多個波導之間進行反射傳輸，不同波導側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，不同的波導側壁，可以附著不同的薄膜或顆粒，用于吸附待測物質、增強吸光度、提高檢測靈敏度。特別是，通過改變側壁上的金屬薄膜或金屬顆粒的尺寸，可以調節sro效應，提尚靈敏度。
[0021]與基于棱鏡或光纖的SPR傳感器相比，本發明的嵌套波導管結構，無需嚴格控制探測光束的入射角，當探測光束逃逸出內部光波導時(即探測光束入射角小于全反射臨界角時)，經外部毛細管的反射可以重新返回到內部光波導中，因此增加了探測光束與側壁上的薄膜(或顆粒)的相互作用次數，從而提高靈敏度。本發明的嵌套波導管結構，打破了傳統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為本發明實施例一種基于嵌套波導管的傳感器實施例1的嵌套波導管的結構示意圖(其中內部光波導的外表面鍍有薄膜)；
[0023]圖2為本發明實施例一種基于嵌套波導管的傳感器實施例2的嵌套波導管的結構示意圖(其中外部毛細管的內表面附著有顆粒)；
[0024]圖3為本發明實施例一種基于嵌套波導管的傳感器實施例3的嵌套波導管的結構示意圖(其中內部光波導的外表面附著有顆粒)；
[0025]圖4為本發明實施例一種基于嵌套波導管的傳感器實施例4的嵌套波導管的結構示意圖(其中內部光波導為管狀結構，且外表面附著顆粒)；
[0026]圖5為本發明實施例一種基于嵌套波導管的傳感器剖面結構示意圖。
[0027]1、外部毛細管；2、內部光波導；3、間隙；4、薄膜；5、顆粒；7、外部毛細管內徑；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、嵌套波導管。
【具體實施方式】
[0028]下面將結合實施例以及附圖對本發明加以詳細說明，需要指出的是，所描述的實施例僅旨在便于對本發明的理解，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管的傳感器，包括光源8、光探測器13和嵌套波導管15，嵌套波導管15的一端設置有發射探測光束9的光源8，另一端設置有接收探測光束9的光探測器13 ;嵌套波導管15包括外部毛細管1和內部光波導2，本實施例中，外部毛細管1是側壁能夠反射探測光束9的毛細管，內部光波導2的直徑小于外部毛細管1的內徑，內部光波導2嵌套在外部毛細管1的內部并形成有間隙3，間隙3用于流通待測樣品。因為外部毛細管1的側壁可以反射探測光束9，光源8發射的探測光束9可以在外部毛細管1的側壁與內部光波導2之間來回反射傳輸，從而大幅提高光程。如圖1所示，嵌套波導管15的外部毛細管1與內部光波導2之間存在用于流通待測樣品的間隙3，由于嵌套波導管15內部的間隙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，外部毛細管1的側壁和/或內部光波導2的側壁可以鍍上(或粘附上)薄膜4或者顆粒5。作為優選，薄膜4的厚度和顆粒5的尺寸大小是lnm?lOOOnm，優選10nm?lOOnm，當外部毛細管1或內部光波導2的側壁的薄膜4厚度(或顆粒5尺寸)達到納米量級時，可以產生SPR效應，從而利用SPR效應檢測樣品的折射率和吸光度，提高了檢測精度；特別是在內部光波導的外壁(即外表面)鍍薄膜4或設置顆粒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，可以調節其吸收光譜，從而實現特征吸收波長與探測光束9的波長相匹配，優化檢測靈敏度。本實施例中薄膜4優選金屬材質的薄膜4或者是光學介質材質的薄膜4 ;顆粒5優選金屬材質的顆粒5或光學介質材質的顆粒5。顆粒5可以通過對薄膜4進行高溫退火的方式得到，調節退火的時間和溫度可以改變顆粒5的尺寸。設置在外部毛細管1側壁和內部光波導2側壁的薄膜4和顆粒5，當其表面吸附待測物質(如蛋白質、抗原、抗體、DNA、RNA)時，其吸收光譜會發生改變，探測光束9在外部毛細管1側壁與內部光波導2之間來回反射傳輸，可以多次通過內部光波導2側壁(或外部毛細管1側壁)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表面的吸附物質濃度變化。參見圖2和圖3所示，顆粒5固定在外部毛細管1或者內部光波導2的側壁上，與流動狀態的顆粒5相比，固定狀態的顆粒5的測試信號更為靈敏和穩定，并且可以實時監測樣品在顆粒5表面的吸附過程和反應過程。
[0031]作為優選，外部毛細管1的側壁表面和內部光波導2的側壁表面存在光滑的波紋起伏，可以使探測光束9的入射角發生改變，從而增加探測光束9在嵌套波導管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選，外部毛細管1可以容納單根或多根內部光波導2(即內部光波導2的數量是一根或多于一根)，可以提高檢測精度。
[0032]外部毛細管1可以選擇金屬毛細管、玻璃毛細管或塑料毛細管中的一種；優選玻璃毛細管和塑料毛細管的側壁鍍有金屬薄膜或光學介質薄膜，金屬毛細管的內壁優選經過拋