[发明专利]一种基于信号差分检测的光学微流控芯片及测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及微流控芯片中气体和液体样品(例如蛋白质、DNA、抗原、抗体等)的折射率测试，可应用于环境监测、化学分析和生物医学等领域。

背景技术

有害气体检测在环境保护方面具有重要应用，液体检测则在生物医学领域有着重要应用。微流控芯片可以作为承载气体和液体样品的理想通道；并且，其体积小，可以实现微量检测，促进分析仪器的微型化、集成化和便携化。

折射率是反映气体和液体性质的一个重要参数，测试样品的折射率就可以获知样品的类型和浓度等相关信息；并且光学传感器具有抗干扰能力强和响应快的特点。因此，目前广泛采用光学传感器对微流控芯片中的样品进行折射率测量。Kobori等人(J.Am.Chem.Soc.，2004，126：557)利用表面等离子体共振传感器(SPR)对双链DNA进行检测。Liang等人(Appl.Phys.Lett.，2005，86：151122)利用光纤光栅传感器对异丙醇的折射率进行测量。Guo等人(Appl.Phys.Lett.，2011，98：041104)利用两根光纤端面构成的Fabry-Perot腔，对腔内液体的折射率进行测试。我们提出了一种具有集成光学谐振腔的微流控芯片传感器(Appl.Phys.Lett.，2012，100：233705)，通过提高谐振腔的品质因子，从而大幅提高传感器的分辨率。

但是受温度变化、光源波长漂移、以及光电探测噪声等的影响，上述传感器的测试灵敏度较差(分辨率只能达到10^-6折射率单元)。因此设计研发新的器件结构和测试方法，提高传感器的分辨率是目前亟需解决的问题。

将待测样品和标准样品的测试信号进行差分和减法运算，能有效消除光源波长和温度的漂移所导致的测试误差。因此，设计新的器件结构和测试系统，实现光信号或电信号的差分，从而大幅提高测试精度，这是本发明的创研动机。

发明内容

本发明旨在解决上述传感器的测试精度问题，提出“一种基于信号差分检测的光学微流控芯片及测试方法”，通过将待测样品和标准样品的测试信号进行比较和减法运算，实现强的抗干扰、抗光源波长漂移和抗系统温漂的能力，具备高的分辨率和稳定性。

本发明的光信号差分测试原理如图1所示，两个微流槽分别承载着待测样品和标准样品，两束探测光分别经过这两个微流槽；然后这两束光合为一束实现二者的干涉叠加；最后进入光电探测器。

本发明的电信号差分测试原理如图2所示，两个微流槽分别承载着待测样品和标准样品，两束探测光分别经过这两个微流槽；然后分别经过光电探测器转换为电信号，接着进行两个电信号的差分运算。

所述的探测光可以由单个激光器输出的光经过分光而成。

所述的探测光经过的路线简称“光程”，光程中可以插入光学相位调制器和幅度调制器。

所述的光学相位调制器(如LiNbO₃调制器)可以通过施加电场、磁场或压力等改变调制器的折射率，从而改变经过调制器的光束相位。

所述的光学幅度调制器包括光放大器和光衰减器。

所述的测试仪利用相位和幅度调制器，分别调节两束探测光的相位差和强度比值，从而获得最佳的干涉相消效果，有效抵消光源波长和温度的漂移所导致的测试误差。

所述的微流槽数目可以多于两个，用于承载不同的待测样品和标准样品；相应的探测光束的数目和微流槽数目一致，即每个微流槽对应一个探测光束。

所述的微流槽可以只有一个，利用微流槽的不同部分承载不同的样品；相应的探测光束的数目和样品数目一致(每个样品区域对应一个探测光束)。

所述的微流槽可以在其表面或内部镀光学薄膜(如Si、Ta₂O₅、SiN_x、SiO₂等)，调节光束相位，优化两束光的干涉相消效应(如图3)。

附图说明

附图，其被结合入并成为本说明书的一部分，示范了本发明的实施例，并与前述的综述和下面的详细描述一起解释本发明的原理。

图1为基于光信号差分的测试方法。

图2为基于电信号差分的测试方法。

图3为在微流槽的表面或内部镀光学薄膜的微流控芯片结构。

图4为基于光信号差分的另一种测试步骤。

具体实施方式

为使得本发明的技术方案更加清晰，以下结合测试方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

例1