专利名称：基于有源微管的谐振式光微流体传感装置和方法
基于有源微管的谐振式光微流体传感装置和方法
技术领域：
本发明涉及各种基于光学微腔谐振传感的技术领域，属于光生物和化学传感技术。背景技术：
基于微谐振光学传感技术的无标记生物传感器直接测量分子相互作用，能实现生物分子相互作用的实时观察，由于无需待测分析物具有荧光，特征吸收或散射带等特殊性质，测量对象范围大大扩展，可探测毒素，蛋白质，DNA，甚至整个细胞行为，从而为医学诊断，药品研制，食物监测，环境监测等领域提供了有力的分析工具。
光微谐振腔利用全反射将光约束在微腔内，产生回音壁谐振模(Whisper GalleryMode, WGM)。由于是全反射，泄漏损耗非常小，因而光微谐振腔可以很小的尺寸获得很高的Q值，Q值可高达10'当附在微腔表面的待测物浓度引起折射率变化时， 谐振腔的有效折射率将产生变化，从而引起谐振波长漂移。通过检测波长漂移，即可检测出待测物浓度变化。球形、环形和柱形是光微谐振腔的常见几何形状。如2002年， F. Vollmer利用光微谐振腔的高Q值，基于微球提出一种新型生物传感器(F. Vollmer, D. Braun,A.Libchaber, “Protein detection by optical shift of a resonant microcavity, ” Applied PhysicsLetters, 2002, 80 (21) : 4057-4059),微球腔理论上具有最高的品质因子，但固定夹持困难，不容易实现集成。基于平面光波导技术的微环和微盘可采用集成光学光刻的方式制作，易于大规模集成，因此基于微环(如A. Ksendzov, Y. Lin, “Integrated optics ring-resonator sensorsfor protein detection,，，Optics Letters, 2005, 30 (24) : 3344-3346 ；Yalcin, A. Popat，K. C. Aldridge, J. C. , et al. , "Optical sensing of biomolecules using microring resonators, ^IEEEJournal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2006，12 (I) : 148-155)、微盘谐振腔 (如 E. Krioukov, D. J. W. Klunder, A. Driessen, J. Greve, and C. Otto, 〃Sensor based on an integratedoptical microcavity, "Opt. Lett. 2002, 27，512—514)的光学传感器的研究工作得到较多关注。但是，光刻产生的微腔表面不光滑，大幅度降低了微腔Q值，严重影响了探测装置的灵敏度。D. K. Armani等通过对微盘进行回流处理(D. K. Armani, T. J. Kippenberg, S. M. SpiIlance, k. J. Vahala, ^Ultra high Q toroid microcavity on a chip, "Nature, 2003, 421:925-928)，使微腔Q值得以超过107，利用该微谐振腔，该课题组的 Andrea M. Armani等进一步成功地实现了对单个生物分子的探测(Andrea M. Armani, Rajan P. Kulkarni, Scott E.Fraser, RichardC. Flagan, Kerry J. Vahala, 〃Lable_free, single-m olecule detection with optical microcavities, "Science, 2007，317:783-787),充分证明了光微谐振腔生物传感器的灵敏度优势。但为了使微谐振腔与待检测分子能够相互作用，这些传感器均需要另外设计制作分立的样品池或样品通道，使得整个传感系统实现复杂。采用微管技术的微谐振腔传感器可实现样品传送通道和传感通道的合二为一，大大简化传感器结构并提高可靠性(如 I. M. White, H. Oveys, andX. Fan, ^Liquid-core optical ring-resonator sensors, "Opt. Lett. ,2006,31, 1319-1321)。
但谐振腔的无源本质使得光信号微弱，研究人员开始考虑采用有源的方式提高 信号(如，L. He, K. Zdemir, J. Zhu, W. Kim, L. Yang, "Detecting single viruses and nanoparticlesusing whispering gallery microlasers. "Nature Nanotechnology,2011，6(7) :428-432)，但以往的方法是基于溶胶凝胶法，在微盘上涂覆一层增益介质薄膜构成WGM有源腔，制作复杂，不容易保持一致性，且样品输送困难。因此要实现生物和化学高灵敏度检测，需要设计新型的有源光微流体传感装置。
发明内容本发明旨在提出一种基于有源微管的光微流体传感装置和方法。该传感装置包括
泵浦光源采用980nm激光器，为有源微管提供泵浦光，以实现微管内部掺杂介质的粒子数反转分布，光源单模输出功率(T850mw。
辅助定位光源采用650nm半导体激光光源，用作定位泵浦光耦合位置的参考光源。
光纤耦合器用于将泵浦光源和辅助定位光源所发出的光合成一束并传输到准直扩束装置中。
准直扩束装置用于对光纤耦合器传输过来的光进行准直扩束，形成平行光。
角度调节台准直扩束装置安装在角度调节台标有刻度的半圆形轨道上。通过改变准直扩束装置在轨道上的位置改变入射光的角度，进而选择泵浦光的模式。
耦合棱镜准直扩束装置中出射的平行光以一定角度射入耦合棱镜表面并发生全反射，全反射时产生的倏逝波耦合进入有源微管中，有源微管与棱镜端面平行且间距在 50 100nm之间。
有源微管安装在有源微管夹持架上，耦合棱镜全反射产生的倏逝波耦合进入有源微管中。微管成分为掺有增益介质的石英，一般有掺铒、掺镱、铒镱共掺三种掺杂方式。有源微管一方面作为产生激光的谐振腔和工作介质，在该有源微管管壁内，满足谐振条件的光波长形成稳定的能量分布模式(回音壁谐振模式，WGM)，并在微管内表面附近形成倏逝场以进行光微流体传感；另一方面还作为样品的输送通道，在微管内腔中输送待测样品。
有源微管夹持架用于夹持有源微管，并调节与耦合棱镜的耦合距离。
聚焦装置有源微管中出射的信号光被聚焦装置收集并输入到光谱分析装置，聚焦装置安装在角度调节台的半圆形轨道上。
光谱分析装置用于分析出射的激光光谱，通过检测光谱中谐振峰的漂移量，实现对待测样品浓度的检测。
一种基于有源微管的谐振式光微流体传感方法，其特征在于该方法的具体过程如下
第I、泵浦光源和辅助定位光源发出的光通过光纤耦合器入射到准直扩束装置，准直扩束后形成平行光入射到耦合棱镜上；
第2、通过调节准直扩束装置在角度调节台上的位置改变入射角，调节时利用辅助定位光源形成的光线和光斑确定调节量。
第3、泵浦光通过耦合棱镜耦合进入掺有增益介质的有源微管中，泵浦激发实现增益介质粒子数反转，满足回音壁谐振模条件且在增益谱内的光在其中不断放大，最终形成激光振荡。通过在有源微管内壁固化生物检测试剂，当被检测生物分子流过时，与检测试剂发生的反应将改变内壁表面折射率，有源微管回音壁谐振模的谐振波长将发生漂移，导致输出激光波长漂移。
第4、形成的激光通过耦合棱镜耦合出射，被聚焦装置汇聚收集并传入到光谱分析装置，测出激光谐振波长的变化，从而计算出折射率的变化，根据折射率与生物分子浓度的关系，最终分析出生物化学微流体浓度和反应信息。
在所述的装置中，构成光微流体谐振腔的有源微管是在石英管中进行掺杂增益介质后拉制而成，掺杂增益介质介质方式包括掺镱、掺铒及铒镱共掺三种方式，掺铒浓度在100(T3000ppm，掺镱浓度在200(Tl0000ppm，有源微管外径在20 μ πΓ400 μ m，壁厚在 I μ πΓ50 μ m,耦合棱镜采用高折射率光学材料制作，如重火石玻璃ZF13。
本发明的主要特点是采用有源光微流体谐振腔，通过增益介质的放大作用，克服了本征吸收、散射和生物化学微流体的吸收等损耗因素，使得传统依赖于吸收下陷谱线的探测模式转变为更加尖锐的激光谱线，提高传感器的探测极限能力，实现了激光谐振腔、传感通道和流体传送通道的一体化，减小了传感器的体积。
本发明的优点和积极效果
I.采用有源微管构建光微流体传感装置。在泵浦光的作用下，通过有源微管增益介质的放大作用，克服了本征吸收、散射和生物化学微流体的吸收等损耗因素，使得传统依赖于吸收下陷谱线的探测模式转变为更加尖锐的激光谱线，提高传感器的探测极限能力， 实现了激光谐振腔、传感通道和流体传送通道的一体化，减小了传感器的体积。
2.有源微管是在石英管中进行掺杂增益介质后拉制而成,掺杂方式包括掺铒,掺镱以及铒镱共掺，可采用掺杂光纤的成熟拉制工艺，便于批量制作。
3.泵浦光源的波长为980nm，而激发光的波长在101(Tll60nm和152(Tl565nm之间，两者处于不同光波段，故信号光不受到泵浦光反射引起的杂散光影响。
图I是基于棱镜耦合的有源谐振式光微流体传感装置示意图2是基于拉锥光纤耦合的有源谐振式光微流体传感装置示意图3是传统微管的吸收谱线示意图4是有源微管的激光谱线示意图中I为泵浦光源，2为辅助定位光源，3为光纤耦合器，4为角度调整台，5为准直扩束装置，6为稱合棱镜,7为有源微管夹持架,8为有源微管,9为聚焦装置，10为光谱分析装置，11为拉锥光纤，12为用作基质的生物检测试剂，13为待测生物分子，14为吸收谱线， 15为激光谱线。
具体实施方式
实施例I :基于棱镜耦合的的有源谐振式光微流体传感装置
如图I所示，该传感装置包括泵浦光源1，辅助定位光源2，光纤耦合器3，角度调整台4，准直扩束装置5，耦合棱镜6，有源微管夹持架7，有源微管8，聚焦装置9，光谱分析装置10。
泵浦光源I与辅助定位光源2输出的光入射到光纤耦合器3中并合成一束，再经过准直扩束装置5形成平行光，通过角度调整台4调整入射角后入射到耦合棱镜6上，在耦合棱镜6的底面发生全反射并在全反射点产生倏逝波，倏逝波耦合进入到与棱镜底面平行且相距5(Tl00nm之间的有源微管8中，满足回音壁谐振条件的光波在有源微管8中经增益放大振荡形成如图4中所示的激光，并再次经过耦合棱镜6耦合后出射，出射光通过聚焦装置9收集并将收集到的光谱信号送入光谱分析装置10进行激光波长测量。
实施例2 :基于棱镜耦合的的有源谐振式光微流体传感方法
如图I所示，波长为980nm泵浦光源I与波长为650nm辅助定位光源2输出的光利用光纤耦合器3合束，经过准直扩束装置5形成平行光出射，通过调节准直扩束装置5在角度调节台4上的位置改变入射角，调节时利用辅助定位光源2形成的光线和光斑确定调节量，使光以大于全反射角的特定角度和光斑位置入射到耦合棱镜6上，并在耦合棱镜6的底面发生全反射。通过调节有源微管夹持架，使泵浦光与有源微管的距离在倏逝波作用的范围之内，令光能量可以通过倏逝波耦合进入到有源微管8，进而有源微管内的增益介质可以被激发到上能级，形成粒子数的反转，满足产生激光的条件。如图3所示，有源微管8存在一系列回音壁谐振模，这些模式满足回音壁谐振条件，因此可以在微管内形成驻波，进行多次振荡。波长在有源微管8的增益谱内的光波可以被增益放大，如果同时满足振荡条件即是回音壁谐振模中的一个，则微管可以起到类似谐振腔的作用，使该模式得到充分放大并形成激光。最终形成的光信号将再次通过耦合棱镜6耦合出射，并由聚焦装置9将光谱信号收集送入光谱分析装置10进行激光波长测量。
通过在有源微管8的内壁固化生物检测试剂12，当被检测生物分子13流过时，与检测试剂发生的反应将改变内壁表面折射率，有源微管回音壁谐振模的谐振波长将随着内壁表面折射率的变化发生漂移。因为满足回音壁谐振条件且在增益谱波长区间内的模式才能形成激光，所以输出激光谱线15也会随内壁表面折射率的变化而发生漂移。通过测量激光谐振波长的变化，就可以计算出有源微管内壁表面折射率的变化，根据折射率与生物分子浓度的关系，最终可分析出生物化学微流体浓度和反应信息。该方法使得传统依赖于吸收下陷谱线14的探测模式转变为更加尖锐的激光谱线15，信噪比高，且谱线宽度窄，可大为提高传感器的极限探测能力。
实施例3 :基于拉锥光纤耦合的有源谐振式光微流体传感装置和方法
如图2所示，泵浦光源I输出的光进入到拉锥光纤11中传输。拉锥光纤11细腰处直径在空气层中形成了倏逝波，泵浦光以倏逝波的方式耦合进入到有源微管8中， 使有源微管内的增益介质形成粒子数的反转，满足回音壁谐振条件且波长在有源微管8的增益谱内的光波被增益放大振荡形成如图4所示的激光，激光耦合输入到拉锥光纤中，最终由光谱接收装置10进行激光波长分析。
通过在有源微管8的内壁固化生物检测试剂12，当被检测生物分子13流过时，与检测试剂发生的反应将改变内壁表面折射率，有源微管回音壁谐振模的谐振波长将发生漂移，导致输出激光波长漂移。测出激光谐振波长的变化，从而计算出折射率的变化，根据折射率与生物分子浓度的关系，最终分析出生物化学微流体浓度和反应信息。
权利要求
1.一种基于有源微管的谐振式光微流体传感装置，其特征在于该传感装置包括 泵浦光源采用980nm激光器，为有源微管提供泵浦光，以实现微管内部掺杂介质的粒子数反转分布，光源单模输出功率(T850mw ； 辅助定位光源采用650nm半导体激光光源，用作定位泵浦光耦合位置的参考光源；光纤耦合器用于将泵浦光源和辅助定位光源所发出的光合成一束并传输到准直扩束装置中； 准直扩束装置用于对光纤耦合器传输过来的光进行准直扩束，形成平行光； 角度调节台准直扩束装置安装在角度调节台标有刻度的半圆形轨道上；通过改变准直扩束装置在轨道上的位置改变入射光的角度，进而选择泵浦光的模式； 耦合棱镜准直扩束装置中出射的平行光以一定角度射入耦合棱镜表面并发生全反射，全反射时产生的倏逝波耦合进入有源微管中，有源微管与棱镜端面平行且间距在50 100nm之间； 有源微管安装在有源微管夹持架上，耦合棱镜全反射产生的倏逝波耦合进入有源微管中；微管成分为掺有增益介质的石英，一般有掺铒、掺镱、铒镱共掺三种掺杂方式；有源微管一方面作为产生激光的谐振腔和工作介质，在该有源微管管壁内，满足谐振条件的光波长形成稳定的能量分布模式，并在微管内表面附近形成倏逝场以进行光微流体传感；另一方面还作为样品的输送通道，在微管内腔中输送待测样品； 有源微管夹持架用于夹持有源微管，并调节与耦合棱镜的耦合距离； 聚焦装置有源微管中出射的信号光被聚焦装置收集并输入到光谱分析装置，聚焦装置安装在角度调节台的半圆形轨道上； 光谱分析装置用于分析聚焦装置收集的信号光光谱，通过检测光谱中谐振峰的漂移量，实现对待测样品浓度的检测。
2.基于有源微管的谐振式光微流体传感装置，其特征在于该传感装置采用掺杂微管作为光微流体谐振腔。
3.一种依据权利要求I所述装置的基于有源微管的谐振式光微流体传感方法，其特征在于该方法的具体过程如下 第I、泵浦光源和辅助定位光源发出的光通过光纤耦合器入射到准直扩束装置，准直扩束后形成平行光入射到耦合棱镜上； 第2、通过调节准直扩束装置在角度调节台上的位置改变入射角，调节时利用辅助定位光源形成的光线和光斑确定调节量； 第3、泵浦光通过耦合棱镜产生倏逝波，倏逝波耦合进入与棱镜端面平行且相距IOOnm左右的有源微管中，泵浦激发实现增益介质粒子数反转，满足回音壁谐振模条件且在增益谱内的光在其中不断放大，最终形成激光振荡。通过在有源微管内壁固化生物检测试剂，当被检测生物分子流过时，与检测试剂发生的反应将改变内壁表面折射率，有源微管回音壁谐振模的谐振波长将发生漂移，导致输出激光波长漂移； 第4、形成的激光再次通过耦合进入棱镜中并且以一定角度出射，被聚焦装置汇聚收集并传入到光谱分析装置，测出激光谐振波长的变化，从而计算出折射率的变化，根据折射率与生物分子浓度的关系，最终分析出生物化学微流体浓度和反应信息。
全文摘要
基于有源微管的谐振式光微流体传感装置和方法包括泵浦和辅助定位光源，光纤耦合器，准直扩束、聚焦装置，角度调节台，耦合棱镜，有源微管，夹持架和光谱分析装置。泵浦光源为激光提供泵浦光；准直装置和耦合棱镜用于使泵浦光耦合进入有源微管；有源微管是掺有增益介质的微管，构成激光的谐振腔，同时也是传感通道和待测流体传送通道；聚焦装置和光谱分析装置用于收集和分析有源微管耦合出射的激光，实现传感。该传感装置采用有源微管作为光微流体谐振腔，实现了谐振腔、传感通道和流体传送通道的一体化，具有集成优点；同时利用掺杂增益介质产生激光，大大减小光谱谱线宽度，提高了传感器探测能力。该装置能用于多种途径，已有技术可批量生产。
文档编号G01N21/41GK102980853SQ20121048553
公开日2013年3月20日 申请日期2012年11月23日 优先权日2012年11月23日
发明者江俊峰, 刘铁根, 刘琨, 于哲, 姬强, 陈文杰, 刘文辉, 张晶, 张以谟 申请人:天津大学