本发明涉及的是一种微流物质通道与光波通道混合集成的双芯光纤微流芯片，这种光纤微流芯片是将微流物质通道和倏逝感测光场以及微型光学干涉仪集成在一根光纤上，可实现流体物质中的浓度、折射率、化学物质等的实时监测与在线测量，属于光纤传感
技术领域：
：。(二)
背景技术：
：：微流控技术(microfluidics或lab-on-a-chip)指的是使用微管道(尺寸为数十到数百微米)处理或操纵微小流体(体积为纳升到阿升)的系统。微流控技术经过二十余年的发展，已经成为一门涉及化学、流体物理、光学、微电子、新材料、生物学和生物医学工程的新兴交叉学科。由于微流控芯片中的样品体积小，检测光程短，灵敏度高、响应时间快、功耗低的光学检测器和新型检测方法对于微流控技术向实用化发展至关重要。传统的光纤型微流芯片主要有光纤型微流控电泳芯片[苏波等,光纤型微流控电泳芯片的研制.测控技术,2005,24(11):5-8]，该芯片主要由两部分组成：多模光纤，pdms基片和盖片。利用二次曝光技术制作出芯片的模具；通过浇注的方法制成电泳芯片；该芯片实现了在pdms上制作深度不同的微流控沟道和光纤沟道，使光纤与微流控沟道能够方便地对准。另一种是内嵌光纤型微流控芯片[金永龙等.基于准分子激光加工技术的内嵌光纤型微流控器件的制备.中国激光,2008,35(11):1821-1824]，其制备方法是利用248nm的krf准分子激光在聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)基片上进行微加工,构建芯片结构，并嵌入腐蚀过的直径35μm的单模光纤，从而形成内嵌光纤型芯片。采用微纳光纤作为一种典型的一维微纳光波导，具有低传输损耗、强场约束能力、大比例倏逝场、可灵活操作等特性，在构建小型化、高灵敏度传感器方面具有独特的优势。在短时间测量方面具有明显的优点。但这种基于微纳光纤的测量装置普遍存在易于被污染、使用寿命短的不足。典型的微纳光纤传感结构包括双锥形微纳光纤、缠绕型微纳光纤、微纳光纤光栅、微纳光纤环型谐振腔、微纳光纤mach-zehnder干涉仪以及表面功能化或者内部掺杂微纳光纤，基于这些结构的折射率、浓度、湿度、温度、应变、电流等物理、化学、生物传感器获得了广泛的研究[x.guo，y-b.ying，l.m.tong，photonicnanowires：fromsubwavelengthwaveguidestoopticalsensors，accountsofchemicalresearch.47，2014，656-666；l.zhang，j.lou，l.tong，micro/nanofiberopticalsensors，photonicsensors1，2010,31-42；j.lou，y.wang，l.tong，microfiberopticalsensors：areview，sensors14，2014，5823-5844]。利用飞秒激光水辅助加工的方法也可以在单模光纤中加工出平行于纤芯的微流通道，从而制成了一种能够应用于液体折射率传感的新型光纤微流体器件[李翔.光纤微流体器件的飞秒激光制备及液体折射率传感.哈尔滨工业大学,2013；孙慧慧.光纤内马赫泽德干涉微腔的飞秒激光制备及温盐传感特性.哈尔滨工业大学,2015]，这种微流体器件具有耐高温，液体在微流通道内部流动，避免被测液体与外界接触，具有很强的抗干扰能力。另一种方法是直接利用中空光子晶体光纤的中空光学通道作为微流物质通道。[江超.飞秒激光脉冲精密制作微流光纤器件及其应用.激光杂志,2009,30(5):6-8.]这种微流测量器件的工作原理是基于光纤中传输的光场直接与微流物质相互作用，从而改变光纤中光波的特性。也就是说微流光学器件的基础在于光场与通道流体之间的有效重叠。当波导光和微流物质被同时限制在一个物理空间时，光与流体物质的相互作用能够被最佳化，是获得较大动态响应的同时能够尽可能的缩短相互作用长度。事实上，微纳光纤传感器大多将微纳光纤置于空气中或者大的流通池中，微纳光纤容易受到环境因素的影响，表面容易被污染，严重影响了微纳光纤传感器的稳定性。将微纳光纤包埋在低折射率材料中(例如，telflonaf)[n.lou,et.al，embeddedopticalmicro/nano-fibersforstabledevices,opticsletters,35,2010,571-573；.r.lorenzi，y.jung，g.brambilla,in-lineabsorptionsensorbasedoncoiledopticalmicrofiber,appliedphysicsletters98,2011,173504]，是提高微纳光纤传感器稳定性的有效方法。然而低折射率材料的包裹会减少微纳光纤外围倏逝场与待测物质的相互作用，降低微纳光纤传感的灵敏度。无论是各种物理、化学、生物参量的高精度传感检测，还是高性能的全光调控器件，都需要依靠光与物质的高效相互作用，以形成光波信息与物质、环境特征相互间的信息充分交换，从而达到提高传感检测精度、增强功能集成、提高器件性能的目的。基于光与物质相互作用的微结构光纤器件亦是如此。为了提高通道集成度、可靠性和更易于生产的加工制造，克服上述在先技术中的缺点和不足，本发明给出了一种把微流物质通道直接制作在光纤中的混合集成光纤微流芯片。该微流芯片的优点是，它便于光学连接，避免了分离情况下的光学对准与调节，一致性好、适合于规模化大批量生产。在微米尺度操作微量液体，为低耗样量、高通量化学、生物、医药分析检测提供优异的研究和应用平台，为微流控技术在化学、生物、医药等领域高通量分析及检测的控制提供了一种便捷的技术手段。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种微流物质通道与光波通道混合集成的双芯光纤微流芯片，这种光纤微流芯片是将微流物质通道和倏逝感测光场以及微型光学干涉仪集成在一根光纤上。该光纤混合集成微流芯片可实现流体物质中的浓度、折射率、化学物质等的实时监测与在线测量。本发明的目的是这样实现的：本发明公开了一种微流物质通道与光波通道混合集成的双芯光纤微流芯片，这种光纤微流芯片是将微流物质通道和倏逝感测光场以及微型光学干涉仪集成在一根光纤上，可实现流体物质中的浓度、折射率、化学物质等的实时监测与在线测量，其主要特征是：(一)所述光纤微流芯片包含一个或多个空气孔1-1作为微流物质通道，还包含两个纤芯1-2和1-3作为光波导通道，纤芯1-2与微流物质通道紧邻，以便纤芯1-2中光波的倏逝场与微流物质发生相互作用，纤芯1-3远离微流物质通道，可作为光波的参考或对比通道，如图1所示。(二)该光纤微流芯片的两端分别通过加热的方法实施了熔融拉锥处理，形成了两个光纤内的耦合器2-4和2-5，从而在光纤内部构成了一个光学mach-zehnder干涉仪，与微流物质通道2-1紧邻的纤芯2-2构成了干涉仪的测量臂，而远离微流物质通道的纤芯2-3构成了干涉仪的参考臂，该光纤微流芯片的微流物质通道两端垂直于光纤表面开有两个微孔，作为微流物质的输入通道2-6和输出通道2-7，如图2所示。(三)为了进一步扩展这种微流物质通道与光波通道混合集成的双芯光纤微流芯片的结构。本发明还公开了下述可能的多种光纤结构及其在各种结构的光纤基础上，进行集成而实现的多种光纤微流芯片。图3给出的是一种具有对称的两个空气孔3-1和3-2的双芯光纤，这种光纤具有两个纤芯，一个位于光纤中心3-3，紧邻两个作为微流物质通道的空气孔；另一个纤芯3-4远离两个微流物质通道孔。基于图3所示的这种双孔双芯光纤，也同样可以进一步构成微流物质通道与光波通道混合集成的双芯光纤微流芯片的结构。由于该光纤具有两个微流物质通道孔，因而可以同时实现两种微流物质的测量。图4给出了基于双孔双芯光纤的mach-zehnder干涉仪结构。其制备方法与单孔双芯光纤微流芯片的制备工艺相同。为了增强光的倏逝场与微流物质相互作用的有效性，扩大光波导与微流物质的交界面积，图5给出了一种将环形光波导围裹微流物质通道的双芯光纤，这种光纤具有两个纤芯，一个纤芯位于中心空气孔的内壁，构成了环形波导层纤芯5-1，该纤芯围裹着位于光纤中心的空气孔5-2，该空气孔作为微流物质通道；另一个纤芯5-3远离微流物质通道孔，如图5所示。类似的，基于图5所示的这种将环形光波导围裹微流物质通道的双芯光纤，也同样可以构成微流物质通道与光波通道混合集成的双芯光纤微流芯片的两种光学结构。图6给出了基于环形光波导围裹微流物质通道的双芯光纤的mach-zehnder干涉仪结构。其制备方法与单孔双芯光纤微流芯片的制备工艺相同。若将环形光波导围裹微流物质通道的这一部分移出光纤中心，而在光纤中心放置一个通常的纤芯，我们可以进一步构造出另一种环形光波导围裹微流物质通道的双芯光纤，如图7所示。这种光纤是环形纤芯7-1围裹着微流物质通道孔的双芯光纤，这种光纤具有两个纤芯，一个纤芯7-2位于光纤的中心，而另一个纤芯处于远离中心的空气孔的内壁，构成了环形波导层纤芯，该纤芯围裹着空气孔7-3，该空气孔作为微流物质通道。类似的，图8给出了基于图7所示的环形光波导围裹微流物质通道的双芯光纤的mach-zehnder干涉仪结构。其制备方法与单孔双芯光纤微流芯片的制备工艺相同。根据权利要求1所述的微流物质通道与光波通道混合集成的双芯光纤微流芯片，这种光纤微流芯片在使用过程中，其特征是：所述的光纤微流芯片内部具有mach-zehnder干涉仪的光学结构，干涉仪的一端与光源9-1相连，另一端与光谱仪9-2相连，该光纤微流芯片的物质通道与外部的液体注入泵9-3相连，而排出的液体则与废液池9-4相连接，构成芯片的应用测量系统，如图9所示。附图说明图1是具有微流物质通道孔的双芯光纤的横断面图。图2是具有一个微流物质通道孔的双芯光纤微流芯片的结构示意图。图3是一种具有对称的两个空气孔3-1和3-2的双芯光纤的横断面结构示意图。图4是基于双孔双芯光纤的mach-zehnder干涉仪微流芯片结构示意图。图5是一种环形光波导围裹微流物质通道的双芯光纤的横断面结构示意图。图6是基于环形光波导围裹微流物质通道的双芯光纤的mach-zehnder干涉仪微流芯片结构示意图。图7是一种环形光波导围裹微流物质通道的双芯光纤的横断面结构示意图。图8是基于图7所示的环形光波导围裹微流物质通道的双芯光纤的mach-zehnder干涉仪微流芯片结构示意图。图9是内部具有mach-zehnder干涉仪的光学结构的光纤微流芯片的应用测试系统结构示意图。具体实施方式下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。不失一般性，我们以图1所示的单孔双芯光纤作为光纤微流芯片的具体实施例来详细阐述本发明的具体实施步骤与实施方法。(1)首先，取一段图1所示的单孔双芯光纤，去除包层待用；(2)然后，在显微镜下，采用飞秒激光器在微流孔的靠近光纤表面侧打两个微流小孔，作为待测微流物质进出光纤微流通道的进入口和液体排出口；(3)接下来，借助于光纤拉锥机在靠近两个微流通道孔的外侧分别进行熔融加热并实施拉锥，就构成了一个内部具有mach-zehnder干涉仪光学结构的光纤微流芯片的核心部分；(4)为了方便与外部光源与光谱仪进行连接，该光纤微流芯片还需要在其两端与带有活动连接器的标准光纤进行焊接，并进行焊接后的封装保护；(5)最后，用两个微流液体连接器与光纤微流芯片上的两个微流液体进出口进行连接与密封，就完成了该光纤微流芯片的制备。这种光纤微流芯片是将微流物质通道和倏逝感测光场以及微型光学干涉仪集成在一根光纤上，可实现流体物质中的浓度、折射率、化学物质等的实时监测与在线测量。当前第1页12当前第1页12