專利名稱:嵌入式光纖拉錐微納光纖微流控芯片傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及基于微納光纖和微流控芯片的傳感器,特別是涉及基于光纖拉錐微納光纖外圍倏逝場(chǎng)的超高靈敏度、微量液體生化傳感器及其制備方法。
背景技術(shù):
自從2003年童利民等首次演示了亞波長(zhǎng)直徑微納光纖的低損耗導(dǎo)光特性以來(lái), 微納光纖傳感技術(shù)吸引了眾多研究工作者的廣泛興趣。當(dāng)光沿著亞波長(zhǎng)直徑微納光纖傳播時(shí),相當(dāng)一部分能量以倏逝場(chǎng)的形式存在于光纖外部,這部分能量對(duì)于外界環(huán)境的變化非常敏感。因此,基于微納光纖外圍倏逝場(chǎng)傳感的研究備受關(guān)注。由于微納光纖的尺寸微小, 如何為其精確可控地提供微量液體樣品,成為制約微納光纖傳感發(fā)展的瓶頸技術(shù)之一。微流控芯片是20世紀(jì)90年代興起的一個(gè)交叉學(xué)科,在生命科學(xué)、化學(xué)、光學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景,是當(dāng)今科學(xué)研究熱點(diǎn)領(lǐng)域之一。微流控芯片通道尺度通常在數(shù)十至數(shù)百微米量級(jí),通道具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),通過(guò)外接或集成泵閥能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)通道內(nèi)微升至皮升級(jí)液體流動(dòng)的精確控制。整塊微流控芯片的大小通常僅有幾個(gè)平方厘米,而且能夠?qū)崿F(xiàn)從樣品處理到信號(hào)檢測(cè)的全過(guò)程,因此又被稱為芯片實(shí)驗(yàn)室(Lab-on-a-chip)。由此可見,微流控芯片能夠滿足精確可控為微納光纖提供微量樣品的需求。目前,微納光纖傳感以檢測(cè)氣體樣品和大體積的液體樣品為主,例如將微納光纖置于氣室或通道寬度為毫米量級(jí)的液槽中進(jìn)行檢測(cè),所需樣品通常在毫升量級(jí),這顯然沒(méi)有體現(xiàn)出微納光纖低樣品需要的優(yōu)勢(shì)。在生命科學(xué)領(lǐng)域的樣品檢測(cè)中,通常只能提供微升級(jí)的低濃度樣品,液槽這種送樣方式顯然不能滿足實(shí)際樣品檢測(cè)的需要。此外,生化傳感領(lǐng)域?qū)鞲衅黛`敏度和集成度的要求越來(lái)越高,正朝著單分子級(jí)靈敏度和芯片集成式的方向發(fā)展。光纖拉錐兩端的未拉伸部分為標(biāo)準(zhǔn)光纖易與外部光源和檢測(cè)器集成,腰部為拉伸部分(即微納光纖),由于其腰部直徑接近甚至小于其傳導(dǎo)光的波長(zhǎng),相當(dāng)一部分能量以倏逝場(chǎng)的形式存在于光纖外部,這部分能量對(duì)于外界環(huán)境的變化非常敏感,使其成為一種常用的微納光纖傳感元件。將其置于氣室內(nèi)進(jìn)行氣體分子檢測(cè),或?qū)⑵浣牒辽考?jí)的液槽或燒杯中進(jìn)行液體生化樣品傳感的工作已有報(bào)到。顯然上述方式不能滿足大多數(shù)生化傳感微升甚至納升級(jí)樣品用量的需要。光纖拉錐通常采用化學(xué)腐蝕法或加熱拉伸法制備?;瘜W(xué)腐蝕法制備的光纖拉錐腰部通常在數(shù)十微米,其外圍倏逝場(chǎng)的能量比例相對(duì)較小,難以實(shí)現(xiàn)高靈敏度檢測(cè)。加熱拉伸法制備的光纖拉錐腰部直徑可以達(dá)到數(shù)百納米,可以充分體現(xiàn)微納光纖高靈敏度的特點(diǎn)。 但是,當(dāng)光纖拉錐腰部直徑小于5微米時(shí),其易受外界環(huán)境因素的影響,對(duì)其進(jìn)行操作的難度增加。為了增加其可操作性,已有文獻(xiàn)報(bào)到將光纖拉錐整體包埋于微流控芯片中,用于檢測(cè)毫米量級(jí)通道內(nèi)的液體折射率。由于光纖拉錐被整體包埋在微流控芯片中,光纖拉錐外的倏逝場(chǎng)不能直接作用于被測(cè)樣品,導(dǎo)致檢測(cè)靈敏度顯著下降;此外,微納光纖被包埋于低折射率的材料中,無(wú)法實(shí)現(xiàn)光纖表面修飾,從而導(dǎo)致分子識(shí)別、免疫分析等生物傳感研究難以在此傳感器上實(shí)現(xiàn)。因此,研究一種超高靈敏度、低樣品消耗量的微納光纖傳感器對(duì)于生命科學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和食品安全等領(lǐng)域研究的發(fā)展都具有重要意義。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種嵌入式光纖拉錐微納光纖微流控芯片傳感器及其制備方法。為實(shí)現(xiàn)以上發(fā)明目的,本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是該嵌入式光纖拉錐微納光纖微流控芯片傳感器包括微流控芯片,所述微流控芯片的內(nèi)部設(shè)有進(jìn)樣通道、光纖通道、出樣通道和密封膠通道;所述進(jìn)樣通道設(shè)有一個(gè)以上溶液入口 ;所述光纖通道內(nèi)置有光纖拉錐,所述光纖拉錐的兩端的未拉伸部分包埋于所述光纖通道內(nèi),所述光纖拉錐的拉伸部分與所述光纖通道的內(nèi)壁存在間隙;所述光纖通道在光纖拉錐的其中一個(gè)過(guò)渡區(qū)所在位置處設(shè)有進(jìn)樣口,所述光纖通道在光纖拉錐的另一個(gè)過(guò)渡區(qū)所在位置處設(shè)有出樣口,所述進(jìn)樣通道經(jīng)由所述進(jìn)樣口與光纖通道連通,所述出樣通道經(jīng)由所述出樣口與光纖通道連通; 所述光纖通道在所述光纖拉錐的其中一端的未拉伸部分所在區(qū)域各設(shè)有第一密封膠入口, 所述光纖通道在所述光纖拉錐的另一端的未拉伸部分所在區(qū)域各設(shè)有第二密封膠入口,所述光纖通道分別經(jīng)由所述第一密封膠入口、第二密封膠入口與相應(yīng)的所述密封膠通道連通;所述光纖通道在第一密封膠入口與進(jìn)樣口之間的區(qū)域內(nèi)填充有密封膠,所述光纖通道在第二密封膠入口與出樣口之間的區(qū)域內(nèi)填充有密封膠。本發(fā)明的嵌入式光纖拉錐微納光纖微流控芯片傳感器的制備方法包括如下步驟
(1)制作微流控芯片的基片,所述微流控芯片的基片的表面設(shè)有進(jìn)樣通道、光纖通道、 出樣通道和密封膠通道;所述進(jìn)樣通道設(shè)有一個(gè)以上溶液入口 ;所述光纖通道設(shè)有進(jìn)樣口、出樣口、第一密封膠入口、第二密封膠入口,所述進(jìn)樣口和出樣口之間的距離大于0且小于5厘米,所述第一密封膠入口位于所述進(jìn)樣口的外側(cè),所述第二密封膠入口位于所述出樣口的外側(cè);所述進(jìn)樣通道經(jīng)由所述進(jìn)樣口與光纖通道連通,所述出樣通道經(jīng)由所述出樣口與光纖通道連通;所述光纖通道分別經(jīng)由所述第一密封膠入口、第二密封膠入口與相應(yīng)的所述密封膠通道連通;
(2)將光纖的保護(hù)層剝?nèi)?,后采用光纖熔接機(jī)對(duì)光纖進(jìn)行預(yù)拉伸以使其腰部直徑為 30-70微米,接著對(duì)光纖的所述腰部進(jìn)一步加熱并將所述光纖拉伸至腰部直徑小于5微米且腰部的長(zhǎng)度大于0且小于5厘米,得到光纖拉錐;
(3)將光纖拉錐嵌入到所述光纖通道中,使得所述光纖拉錐的兩端的未拉伸部分別位于所述進(jìn)樣口和出樣口的外側(cè),光纖拉錐的腰部位于所述進(jìn)樣口和出樣口之間且光纖拉錐的腰部與所述光纖通道的內(nèi)壁存在間隙,光纖拉錐的其中一個(gè)過(guò)渡區(qū)與進(jìn)樣口相對(duì),光纖拉錐的另一個(gè)過(guò)渡區(qū)與出樣口相對(duì);
(4)將所述微流控芯片的基片與另一個(gè)基片鍵合,形成微流控芯片;
(5)向各密封膠通道內(nèi)注入密封膠,使密封膠恰好注入至所述光纖拉錐的兩個(gè)過(guò)渡區(qū)所在的位置,后對(duì)密封膠固化。 與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的有益效果是(1)將光纖拉錐嵌入微流控芯片可充分利用微納光纖的長(zhǎng)度,將傳感距離提升至厘米量級(jí),與包埋式的微納光纖傳感器相比,微納光纖能與被測(cè)樣品直接作用,最大程度利用倏逝場(chǎng),從而顯著提高檢測(cè)靈敏度。以吸光度檢測(cè)為例,此傳感器可將傳統(tǒng)分光光度計(jì)的靈敏度提高3個(gè)數(shù)量級(jí),對(duì)于染色的蛋白質(zhì)可達(dá)到單分子的檢測(cè)靈敏度。(2)光纖拉錐通過(guò)與微流控芯片的集成,傳感器的樣品消耗降低至微升甚至納升量級(jí),而且使光纖拉錐免受外界環(huán)境因素的干擾。(3)采用嵌入式的集成方法可以通過(guò)靈活設(shè)計(jì)微流控芯片的進(jìn)樣通道構(gòu)型,在微流控芯片上能夠完成混合、稀釋、生化反應(yīng)等步驟,可大大提高系統(tǒng)的集成度。(4)光纖拉錐的未拉伸部分為標(biāo)準(zhǔn)商用單模或多模光纖,可與外圍光源、探測(cè)器無(wú)縫對(duì)接,可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)和危險(xiǎn)環(huán)境下的遠(yuǎn)距離傳感。(5) 該傳感器無(wú)需昂貴加工設(shè)備,加工過(guò)程簡(jiǎn)單和加工成本低,具有超高靈敏度和長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性,并與微流控芯片集成,能實(shí)現(xiàn)低樣品消耗。
圖1是本發(fā)明傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖2是具有兩個(gè)溶液入口的本發(fā)明傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖; 圖3是具有三個(gè)溶液入口的本發(fā)明傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖中1 一進(jìn)樣通道,2 —光纖通道,3-光纖拉錐,4 一光纖拉錐的拉伸部分(即微納光纖),5-進(jìn)樣口,6-出樣通道,7-密封膠通道,8-微流控芯片,9 一光源,10-探測(cè)器,11-出樣口,12-第一密封膠入口,13-第二密封膠入口,14-溶液入口。
具體實(shí)施例方式以下以聚二甲基硅氧烷(PDMS)和商用多模光纖(外徑125微米)為例說(shuō)明本發(fā)明的制備方法。微流控芯片采用SU-8陽(yáng)模和折射率低于光纖的PDMS進(jìn)行制備將未固化的PDMS 澆注在SU-8陽(yáng)模上,在85°C的溫度下固化30分鐘,然后將其與SU-8陽(yáng)模剝離,形成具有進(jìn)樣通道1、光纖通道2、出樣通道6和密封膠通道7的PDMS基片。如圖1至圖3所示,本發(fā)明微流控芯片8的進(jìn)樣通道1設(shè)有一個(gè)以上溶液入口 14 ;光纖通道2設(shè)有進(jìn)樣口 5、出樣口 11、第一密封膠入口 12、第二密封膠入口 13,進(jìn)樣口 5和出樣口 11之間的距離大于0且小于5厘米,通常第一密封膠入口 12位于進(jìn)樣口 5的外側(cè)1厘米處,第二密封膠入口 13位于出樣口 11的外側(cè)1厘米處;進(jìn)樣通道1經(jīng)由進(jìn)樣口 5與光纖通道2連通,出樣通道6經(jīng)由出樣口 11與光纖通道2連通;光纖通道2分別經(jīng)由第一密封膠入口 12、第二密封膠入口 13 與相應(yīng)的密封膠通道7連通。若要在光纖通道2內(nèi)嵌入外徑為125微米的標(biāo)準(zhǔn)商用光纖拉錐,可使光纖通道2的寬度和深度均為125微米。將商用多模光纖的保護(hù)層剝?nèi)?,后采用光纖熔接機(jī)對(duì)光纖進(jìn)行預(yù)拉伸以使其腰部直徑為30-70微米,接著對(duì)光纖的腰部進(jìn)一步加熱并將光纖拉伸至腰部直徑小于5微米且腰部的長(zhǎng)度大于0且小于5厘米,并且使腰部的長(zhǎng)度與微流控芯片上進(jìn)樣口 5與出樣口 11 間的距離一致。采用兩步拉伸制備光纖拉錐可以使光纖在較短的拉伸長(zhǎng)度內(nèi)使其腰部變成微納光纖,便于與微流控芯片集成。將制得的光纖拉錐垂直放置,使其在重力的作用下將其腰部自然拉直,然后將光纖拉錐嵌入到光纖通道2中,使得光纖拉錐的兩端的未拉伸部分別位于進(jìn)樣口 5和出樣口11的外側(cè),光纖拉錐的腰部位于進(jìn)樣口和出樣口之間且光纖拉錐的腰部與光纖通道2的內(nèi)壁存在間隙,光纖拉錐的其中一個(gè)過(guò)渡區(qū)與進(jìn)樣口 5相對(duì),光纖拉錐的另一個(gè)過(guò)渡區(qū)與出樣口 11相對(duì)。將微流控芯片 的基片與另一個(gè)PDMS基片鍵合,形成微流控芯片8 ;在進(jìn)樣通道1、 出樣通道6和密封膠通道7末端位置開孔,使溶液可以流入和流出微流控芯片8 ;使密封膠流入微流控芯片8。本發(fā)明采用未固化的PDMS作為密封膠,向各密封膠通道7內(nèi)注入PDMS。PDMS經(jīng)由第一密封膠入口 12和第二密封膠入口 13進(jìn)入光纖通道2后,向兩邊擴(kuò)散,填充光纖與光纖通道間2的間隙。當(dāng)PDMS恰好注入至光纖拉錐3的過(guò)渡區(qū)所在的位置時(shí),停止注入,避免PDMS堵塞進(jìn)樣口 5和出樣口 11。此時(shí),光纖通道2在第一密封膠入口 12與進(jìn)樣口 5之間的區(qū)域內(nèi)填充有密封膠,光纖通道2在第二密封膠入口 13與出樣口 11之間的區(qū)域內(nèi)填充有密封膠。然后將其放在85°C的溫度下固化30分鐘,使光纖拉錐3的未拉伸部分完全包埋于微流控芯片8中,而用于傳感的微納光纖又能完全作用于被測(cè)樣品。此種先嵌入后包埋的方法不僅能夠滿足保護(hù)光纖拉錐的需求,提高傳感器的可操作性,而且還為微納光纖 4提供了一個(gè)微升至納升級(jí)的檢測(cè)通道,使其能夠最大程度的利用其長(zhǎng)度進(jìn)行傳感,在提高檢測(cè)靈敏度的同時(shí),減少樣品消耗。將露在微流控芯片外部的標(biāo)準(zhǔn)光纖通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)光纖適配器分別與光源9和探測(cè)器 10連接,采用注射泵注入或負(fù)壓吸取的方式驅(qū)動(dòng)溶液從溶液入口 14進(jìn)入微流控芯片8,溶液經(jīng)過(guò)進(jìn)樣口 5和出樣口 11與微納光纖4相互作用,通過(guò)探測(cè)器10記錄輸出光強(qiáng)的變化, 實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)樣品的傳感。以下以亞甲基藍(lán)溶液的吸光度檢測(cè)為例進(jìn)一步說(shuō)明此傳感器的技術(shù)效果。首先制備如圖2所示的具有兩個(gè)溶液入口 14的本發(fā)明傳感器,其微納光纖4的直徑為1微米,進(jìn)樣口 5與出樣口 11間的距離為2. 5厘米。將本發(fā)明傳感器的光纖拉錐兩端的標(biāo)準(zhǔn)多模光纖通過(guò)裸光纖適配器分別與以波長(zhǎng)為633nm的氦氖激光器(光源)和光譜儀 (探測(cè)器)相連。亞甲基藍(lán)溶液從一個(gè)溶液入口 14經(jīng)注射泵以1微升/分鐘的流速注入微流控芯片8,經(jīng)進(jìn)樣通道1,進(jìn)樣口 5流入嵌有微納光纖4的光纖通道2,并與微納光纖4相互作用,經(jīng)出樣口 11和出樣通道6流出微流控芯片。作為參比溶液的蒸餾水經(jīng)另一個(gè)溶液入口 14,用另一注射泵以相同的流量注入。蒸餾水和亞甲基藍(lán)溶液交替注入,先注入蒸餾水獲得原始透射光強(qiáng),然后注入亞甲基藍(lán)溶液,測(cè)得透射光強(qiáng),并計(jì)算吸光度。在0-30 nM的濃度范圍內(nèi),配制5個(gè)不同濃度的亞甲基藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)樣品,按照濃度由低到高的順序測(cè)量吸光度,并繪制工作曲線。得到工作曲線后,便可對(duì)未知濃度的樣品進(jìn)行測(cè)量,測(cè)得未知樣品的吸光度后便可通過(guò)工作曲線得到其濃度。將亞甲基藍(lán)溶液的濃度和吸光度進(jìn)行線性回歸, 線性相關(guān)系數(shù)(R2)達(dá)到0.995,檢出限達(dá)到50 pM0用傳統(tǒng)分光光度計(jì)測(cè)量亞甲基藍(lán)的檢出限為200nM,因此,此微納光纖傳感器可以將傳統(tǒng)分光光度計(jì)的靈敏度提高3個(gè)數(shù)量級(jí)以上,而檢測(cè)所需的最小體積僅為500納升左右,實(shí)際樣品消耗僅為數(shù)微升。
權(quán)利要求
1.一種嵌入式光纖拉錐微納光纖微流控芯片傳感器,其特征是包括微流控芯片,所述微流控芯片的內(nèi)部設(shè)有進(jìn)樣通道(1)、光纖通道(2 )、出樣通道(6 )和密封膠通道(7 );所述進(jìn)樣通道(1)設(shè)有一個(gè)以上溶液入口( 14 );所述光纖通道(2 )內(nèi)置有光纖拉錐(3 ),所述光纖拉錐(3)的兩端的未拉伸部分包埋于所述光纖通道(2)內(nèi),所述光纖拉錐(3)的拉伸部分(4)與所述光纖通道(2)的內(nèi)壁存在間隙;所述光纖通道(2)在光纖拉錐(3)的其中一個(gè)過(guò)渡區(qū)所在位置處設(shè)有進(jìn)樣口(5),所述光纖通道(2)在光纖拉錐(3)的另一個(gè)過(guò)渡區(qū)所在位置處設(shè)有出樣口(11),所述進(jìn)樣通道(1)經(jīng)由所述進(jìn)樣口(5)與光纖通道連通,所述出樣通道(6)經(jīng)由所述出樣口(11)與光纖通道(2)連通;所述光纖通道(2)在所述光纖拉錐(3)的其中一端的未拉伸部分所在區(qū)域設(shè)有第一密封膠入口(12),所述光纖通道(2)在所述光纖拉錐(3)的另一端的未拉伸部分所在區(qū)域設(shè)有第二密封膠入口(13),所述光纖通道(2)分別經(jīng)由所述第一密封膠入口( 12)、第二密封膠入口( 13)與相應(yīng)的所述密封膠通道 (7)連通;所述光纖通道在第一密封膠入口(12)與進(jìn)樣口(5)之間的區(qū)域內(nèi)填充有密封膠, 所述光纖通道在第二密封膠入口(13)與出樣口(11)之間的區(qū)域內(nèi)填充有密封膠。
2.—種權(quán)利要求1的嵌入式光纖拉錐微納光纖微流控芯片傳感器的制備方法,其特征是,包括如下步驟1)制作微流控芯片的基片,所述微流控芯片的基片的表面設(shè)有進(jìn)樣通道(1)、光纖通道 (2)、出樣通道(6)和密封膠通道(7);所述進(jìn)樣通道(1)設(shè)有一個(gè)以上溶液入口( 14);所述光纖通道設(shè)有進(jìn)樣口(5)、出樣口(11)、第一密封膠入口(12)、第二密封膠入口(13),所述進(jìn)樣口(5)和出樣口(11)之間的距離大于0且小于5厘米,所述第一密封膠入口(12)位于所述進(jìn)樣口(5)的外側(cè),所述第二密封膠入口(13)位于所述出樣口(11)的外側(cè);所述進(jìn)樣通道(1)經(jīng)由所述進(jìn)樣口(5)與光纖通道(2)連通,所述出樣通道(6)經(jīng)由所述出樣口(11) 與光纖通道(2)連通;所述光纖通道(2)分別經(jīng)由所述第一密封膠入口(12)、第二密封膠入口(13)與相應(yīng)的所述密封膠通道(7)連通;2)將光纖的保護(hù)層剝?nèi)?,后采用光纖熔接機(jī)對(duì)光纖進(jìn)行預(yù)拉伸以使其腰部直徑為 30-70微米,接著對(duì)光纖的所述腰部進(jìn)一步加熱并將所述光纖拉伸至腰部直徑小于5微米且腰部的長(zhǎng)度大于0且小于5厘米,得到光纖拉錐(3);3)將光纖拉錐嵌入到所述光纖通道(2)中,使得所述光纖拉錐的兩端的未拉伸部分別位于所述進(jìn)樣口(5)和出樣口(11)的外側(cè),光纖拉錐的腰部位于所述進(jìn)樣口(5)和出樣口 (11)之間且光纖拉錐的腰部與所述光纖通道的內(nèi)壁存在間隙,光纖拉錐的其中一個(gè)過(guò)渡區(qū)與進(jìn)樣口(5)相對(duì),光纖拉錐的另一個(gè)過(guò)渡區(qū)與出樣口(11)相對(duì);4)將所述微流控芯片的基片與另一個(gè)基片鍵合,形成微流控芯片(8);5)向各密封膠通道(7)內(nèi)注入密封膠,使密封膠恰好注入至所述光纖拉錐(3)的兩個(gè)過(guò)渡區(qū)所在的位置,后對(duì)密封膠固化。
全文摘要
本發(fā)明公開一種嵌入式光纖拉錐微納光纖微流控芯片傳感器及其制備方法。微流控芯片設(shè)有光纖通道、進(jìn)樣通道、出樣通道和密封膠通道。采用熱拉伸法制作光纖拉錐,使其拉伸部分為微納光纖,將光纖拉錐嵌入微流控芯片的光纖通道,后用另一基片與此微流控基片鍵合,形成具有密閉微通道的微納光纖傳感器。光纖通道上設(shè)有進(jìn)樣口、出樣口和密封膠入口。微流控芯片鍵合后,從密封膠通道向光纖通道注入低折射率密封膠,使光纖拉錐的未拉伸部分包埋于芯片中,避免液體泄漏和殘留。光纖拉錐的拉伸部分與光纖通道的內(nèi)壁存在間隙。因微納光纖與樣品的作用距離長(zhǎng)達(dá)厘米量級(jí),且對(duì)樣品的需求量為微升至納升級(jí)量級(jí)。本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)超高靈敏度和低樣品消耗的生化傳感。
文檔編號(hào)G01N21/01GK102183462SQ20111007237
公開日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月24日
發(fā)明者張磊, 王攀, 童利民 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)