气体、生物分子检测用的法布里帕罗微腔传感芯片及系统技术方案

本实用新型专利技术属于光学传感器技术领域，具体为一种用于气体分子、生物分子检测的法布里帕罗微腔传感芯片。本实用新型专利技术传感芯片包括制备有微泡的毛细石英管以及微泡表面镀覆的高反射率薄膜；微泡为中空结构；微泡表面的反射膜及微泡液芯区域形成法布里帕罗微腔。本实用新型专利技术基于微泡的透镜效应，克服了传统法布里帕罗谐振腔对平面反射镜之间高平行度的要求，减小了腔内谐振模式的体积，增加了腔内的光能量密度，使光与物质之间的相互作用增强；结合气体分子、生物分子对特定波段的光吸收特性以及比尔朗伯定律，实现对于超低浓度化学气体分子或生物分子的高灵敏度以及微量、痕量分析物检测。传感芯片结构简单，制备方便，且重复利用率高。高。高。

【技术实现步骤摘要】
气体、生物分子检测用的法布里帕罗微腔传感芯片及系统


[0001]本技术属于光学传感器
，具体涉及用于化学气体分子、生物分子检测的法布里帕罗微腔传感芯片及其制备方法和分子检测系统。

技术介绍

[0002]近年来，气体的检测技术对于环境污染物监测、人体疾病以及呼吸诊断等方面具有极大的应用前景。常见的气体测量方法有气相色谱法、电化学法、化学发光法以及吸收光谱法。相比于前三者，吸收光谱法具有测量范围宽、相应时间快、特异性强、高灵敏度以及小型化等优点，成为了一种理想的化学气体监测技术。其中基于吸收光谱法的法布里帕罗谐振腔，由于腔自身导致的极高品质因子，导致腔内传输光的有效光程增加，因而光与物质充分相互作用，导致在特定波段的气体分子光吸收增强。通常构成法布里帕罗腔的腔镜反射率越高，传感器越灵敏，对低浓度气体分子的检测能力越强。
[0003]常规的法布里帕罗谐振腔(Fabry
‑
P
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rot resonator,FP)由两块保持高度平行的反射镜组成，其中入射光满足腔的谐振条件时，可以在腔内形成稳定的驻波场分布。理论上，反射镜的反射率越高，光在腔内被反射的次数越多，导致光与具有吸收的化学气体分子或生物分子相互作用越强，传感的分辨率越高。然而，在实际制备法布里帕罗谐振腔传感器时，由于腔镜无法保证高度平行，光在腔内传输的同时引入多次反射损耗，导致微腔的品质因子急剧下降。此外，由于缺乏横向模式约束，腔内谐振光场的模式体积增大，导致光能量密度减小，即光与物质作用强度下降。以上问题都限制了法布里帕罗微腔对于超低浓度的化学气体分子的检测。

技术实现思路

[0004]本技术的目的在于提供一种可以实现超低浓度化学气体分子、生物分子检测的法布里帕罗微腔传感芯片，此外还提供基于该法布里帕罗微腔传感芯片的气体分子、生物分子检测系统。
[0005]本技术提供的用于气体分子、生物分子检测的法布里帕罗微腔传感芯片，其结构如图1所示；包括：一根制备有微泡的毛细石英管以及微泡表面镀覆的高反射率薄膜；其中，微泡为中空结构；微泡表面的反射膜及微泡液芯区域形成法布里帕罗微腔；毛细石英管两端开口，一端通过特氟龙管与微流控系统连接，另一端通过特氟龙管与待测分析物(化学气体分子、生物分子)连接。
[0006]本技术中，所述高反射率薄膜的反射率为98
‑
100％。
[0007]本技术中，所述高反射率薄膜为金属膜，如在微泡表面镀制40
‑
60nm厚的金膜、银膜等，从而使得微泡表面的反射率范围为98
‑
100％；或为多层高低折射率周期性交叉排列的介质薄膜，如在微泡表面依次沉积11
‑
31层高低折射率的材料，从而使得微泡表面的反射率范围为98
‑
100％。
[0008]本技术中，所述高反射率薄膜的反射波段从近紫外光到中红外光。
[0009]本技术中，所述石英管的直径为100
‑
1000μm。
[0010]本技术中，所述石英微泡的直径为200
‑
1100μm，壁厚为5
‑
15μm，微泡的形状为扁椭球状。
[0011]本技术中，微泡的数量可为一个或者多个，如1
‑
5个。
[0012]本技术中，所述石英管的材料优选为二氧化硅。
[0013]本技术提供的法布里帕罗微腔传感芯片可用于化学气体分子、生物分子检测。在进行检测时，根据检测对象对光的吸收特性，结合比尔朗伯定律实现基于光学手段、实时快速检测化学气体分子、生物分子的浓度及种类。
[0014]本技术还提供上述法布里帕罗微腔传感芯片的制备方法，具体步骤为：
[0015](1)选取一段毛细石英微管，通过熔融鼓吹的方式，在其上面制备形状为扁椭球结构的微泡，其中微泡的数量为多个，例如为1
‑
5个；
[0016](2)在微泡的外表面镀覆高反射率的金属膜或高低折射率交叉排列的介质膜；
[0017](3)在毛细石英微管两端连接特氟龙管，用于与微流控系统连接，实现对于待测分析物(化学气体分子、生物分子)的抽取。
[0018]本技术还提供基于上述传感芯片的用于化学气体分子、生物分子检测的系统，参见图4所示，该检测系统包括：依次连接的可调谐激光器4，平面反射镜5，光束准直器6，分束器7，第一聚焦物镜8，法布里帕罗微泡腔传感芯片9，第二聚焦物镜10，第一聚焦物镜或透镜11，光电探测器12，形成传感光路；此为还包括依次与分束器7连接的第二聚焦物镜或透镜14，CCD成像器件15，组成成像光路；其中：
[0019]可调谐激光器4用于发出检测激光；由平面反射镜5将所述激光器的输出激光传输到光束准直器6；光束准直器用于将入射激光准直成特定大小的平行光；分束器7用于将聚焦物镜所成的像传递给CCD成像器件；第一聚焦物镜8用于将准直的激光耦合到法布里帕罗微泡腔传感芯片9中，同时用于收集传感芯片的输出光以及对传感芯片进行成像；法布里帕罗微泡腔传感芯片9中英微泡的两端具有开口，一端通过特氟龙管与注射器、注射泵等组成的微流控系统16连接，另一端通过特氟龙管与待测分析物(化学气体分子、生物分子)连接；由大芯径光纤束充分收集第二聚焦物镜10收集到的输出光信号，并将其传给光电探测器12；光电探测器12接收所述的输出光信号，并将其转换成电信号传输给电脑13；电脑13用于显示光电探测器收集到的出射光谱信号，并对其进行实时处理分析；CCD成像器件15用于对微泡集成型法布里帕罗结构谐振腔传感芯片进行成像；微流控系统16，包括注射泵、注射器和特氟龙管，用于抽取待测分析物到石英微泡中；试管用于储存待测分析物。
[0020]上述检测系统的检测流程为，开启可调谐激光器，发出检测激光；利用CCD成像系统和五维调整架将入射激光耦合到所述微泡区域；利用微流控系统(包括注射泵、注射器、特氟龙管)抽取待测分析物进入微泡中，其过程为微流控系统的一端与石英微泡的一端口连接，石英微泡的另一端口通过特氟龙管与装有待测分析物的试管相连；采用光电探测器收集信号并用电脑显示、存储数据。
[0021]本技术所实现的技术原理为：直接在微泡表面镀高反射率薄膜，形成一个法布里帕罗结构双凹腔，基于微泡的透镜效应，不仅克服了传统法布里帕罗谐振腔对平面反射镜之间高平行度的要求，而且极大的减小了腔内谐振模式的体积，增加了腔内的光能量密度，使得光与物质之间的相互作用增强。结合气体分子、生物分子对特定波段的光吸收特
性以及比尔朗伯定律，利用该高品质因子的谐振腔实现对于超低浓度化学气体分子或生物分子的检测。不仅可以实现极高的特异性，同时也实现了极高的灵敏度以及微量、痕量分析物检测。
[0022]本技术具有下述特点：
[0023](1)本技术与传统的法布里帕罗谐振腔有重要区别；本技术中不需要额外的平面反射镜，反射膜本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气体、生物分子检测用的法布里帕罗微腔传感芯片，其特征在于，包括：一根制备有微泡的毛细石英管以及微泡表面镀覆的高反射率薄膜；微泡为中空结构；微泡表面的反射膜及微泡液芯区域形成法布里帕罗微腔；毛细石英管两端开口，一端通过特氟龙管可与微流控系统连接，另一端通过特氟龙管可与待测分析物连接。2.根据权利要求1所述的法布里帕罗微腔传感芯片，其特征在于，所述高反射率薄膜的反射率为98
‑
100％。3.根据权利要求1所述的法布里帕罗微腔传感芯片，其特征在于，所述高反射率薄膜为金属膜或多层高低折射率周期性交叉排列的介质薄膜。4.根据权利要求1所述的法布里帕罗微腔传感芯片，其特征在于，所述高反射率薄膜的反射波段从近紫外光到中红外光。5.根据权利要求1所述的法布里帕罗微腔传感芯片，其特征在于，所述石英管的直径为100
‑
1000μm。6.根据权利要求1所述的法布里帕罗微腔传感芯片，其特征在于，所述微泡的直径为200
‑
1100μm，壁厚为5
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15μm，微泡的形状为扁椭球状。7.根据权利要求1所述的法布里帕罗微腔传感芯片，其特征在于，微泡的数量为1
‑
5个。8.一种基于权利要求1
‑
7之一所述的气体、生物分子检测用的法布里帕罗微腔传感芯片的系统，...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵旭阳，吴翔，李宇翔，罗曼，郭志和，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：新型
国别省市：