[发明专利]基于微纳光纤和微流控芯片的图像传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于检测气体或液体中微纳待检物的形状和尺寸的传感器，特别涉及一种基于微纳光纤和微流控芯片的图像传感器及其制备方法，可应用于空气中雾霾、血液中细胞、以及水中微生物的检测等领域。

背景技术

光学检测技术和微流控芯片的融合，催生了“光流控”(optofluidic)传感器(Nature Photon.，5(10)，591-597(2011))。利用光流控传感器对气体或液体样品进行分析检测，具有高灵敏度、实时动态、及微量样品需求等优势。因此，如何利用光流控传感器检测微纳颗粒物，在环境保护和生化分析等领域具有重要应用，例如：大气中悬浮的微纳颗粒会引起雾霾污染，海水中微小浮游生物会影响水质(Biogeosciences，7，3239-3257，2010)。目前，检测气体或液体中悬浮颗粒物的光学方法有激光法和图像法等。其中，图像法最为直观，但是需要高倍的光学显微镜或电子显微镜，这些显微镜的价格昂贵、体积庞大。

为了降低高倍数光学显微镜的体积和价格，Isa Navruz等人利用高分辨率CCD光电探测器进行接触式成像，可将成像分辨率提升至亚微米量级，而且体积小、还可以与手机配合使用(Smart-phone based computational microscopy using multi-frame contact imaging on a fiber-optic array，Lab on a Chip，2013，DOI：10.1039/C3LC50589H)。但是，该方案的成像分辨率主要取决于CCD的像素精度，分辨率仍未超过传统光学显微镜。大多的微纳光纤传感器都运用倏逝场原理，即当光沿着亚波长直径微纳光纤传播时，相当一部分能量以倏逝场的形式存在于光纤外部，这部分能量对于外界介质的不同，会直接影响倏逝波的穿透深度和能量，从而改变光纤的透射光强。因此通过分析光纤接收端的光强变化，就可以对倏逝场区域的不同介质特征做出判断。但是存在以下问题：倏逝场传感器只有很少一部分能量可以穿透倏逝场区域从而产生荧光信号；而且在信号接受方面，荧光信号的耦合效率比较低。而且被测样品与取样锥形微纳光纤之间存在较大间隙，这会增加光学衍射、降低成像精度。

综上所述，如何利用锥形光纤进一步提高放大倍数，消除待测样品与光纤之间的间隙，并且降低光纤之间的光耦合干扰，从而大幅提高成像精度，是本发明的创研动机。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种待检物与光纤断面之间间距小，成像畸变低，高放大倍数和成像精度高的基于微纳光纤和微流控芯片的图像传感器及其制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种基于微纳光纤和微流控芯片的图像传感器，包括微流控芯片、锥形微纳光纤、光电探测器、光源，其特征在于：所述微流控芯片设置有微流槽，所述锥形微纳光纤细的一端伸入到微流控芯片中的微流槽通道内；所述光电探测器和光源设置在锥形微纳光纤的另一端。

本发明涉及的基于微纳光纤和微流控芯片的图像传感器，还可以具有以下附属技术特征：

所述锥形微纳光纤较细的一端设置有与微纳光纤折射率不同的包层。所述的锥形微纳光纤，其中较细的一端可以涂覆包层(图4中左图)；并可通过调节包层材料与微纳光纤的折射率差异，从而调节微纳光纤的数值孔径，进而限制待检物的反射光耦合进入微纳光纤的入射角度(图4中右图)，降低相邻光纤之间的光信号耦合干扰(即同一点的反射光耦合进入不同光纤中引起的干扰)；提高成像精度。

所述光源包括泵浦光和探测光。所述泵浦光可以加强周围形成的光场梯度，从而将待检物吸附到微纳光纤的表面，减少待检物与微纳光纤端面的间距。

所述锥形微纳光纤为由多根锥形微纳光纤紧密堆叠而构成的锥形微纳光纤阵列。所述的锥形微纳光纤阵列，是由多根锥形微纳光纤紧密堆叠而构成的；可以通过对堆叠的光纤束进行融化拉制而成(如图3所示)，该锥形微纳光纤的直径可从毫米量级(粗的一端)渐变到微米甚至纳米量级(细的一端)。所述的锥形微纳光纤，其直径的变化倍数可大于10³倍；由于光汇聚效应，它对图像的放大倍数也可超过10³倍，并且大幅提高了从该光纤细的一端汇聚输出的泵浦光强度，从而增强对待检物的光场作用力。

所述光电探测器，其入光面放置过滤泵浦光的滤光片。所述的光电探测器，其入光面可以放置滤光片，将泵浦光滤掉，从而只吸收探测光；如果采用探测光来俘获待检物，则可以不采用泵浦光和滤光片。