[发明专利]混合集成Mach-Zehnder干涉式光纤微流芯片

说明书

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，其主要特征是：(一)该光纤微流芯片包含一个或多个空气孔作为微流物质通道，还包含两个纤芯作为光波导通道，其中一个纤芯与微流物质通道紧邻，以便光波的倏逝场与微流物质发生相互作用，另一个纤芯远离微流物质通道，可作为光波的参考或对比通道；(二)该光纤微流芯片的两端或一端分别通过加热的办法实施了拉锥处理，从而在光纤内部构成了一个光学Mach‑Zehnder干涉仪，与微流物质通道紧邻的纤芯构成了干涉仪的测量臂，而远离微流物质通道的纤芯则构成了干涉仪的参考臂；(三)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和输出通道。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。

(一)技术领域

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，Photonic nanowires：fromsubwavelength waveguides to optical sensors，Accounts of Chemical Research.47，2014，656-666；L.Zhang，J.Lou，L.Tong，Micro/nanofiber optical sensors，PhotonicSensors 1，2010,31-42；J.Lou，Y.Wang，L.Tong，Microfiber optical sensors：a review，Sensors 14，2014，5823-5844]。