專利名稱：基于數(shù)字式微滴進(jìn)樣通道的高靈敏度集成光波導(dǎo)傳感器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成光波導(dǎo)傳感器，尤其是涉及一種基于數(shù)字式微滴進(jìn)樣通道的高靈 敏度集成光波導(dǎo)傳感器件。
背景技術(shù)：
光學(xué)生物化學(xué)傳感器具有不受電磁干擾，靈敏度高等特點(diǎn)，不僅廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng) 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，推動(dòng)醫(yī)學(xué)發(fā)展，而且還在空間生命科學(xué)、食品工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測和發(fā)酵工程等領(lǐng)域 有著廣泛的應(yīng)用。利用光學(xué)方法進(jìn)行生物化學(xué)傳感有兩種主要的方法一種是基于熒光探測的方 法，另一種則是免標(biāo)記的方法。對于熒光探測，需要特定的熒光標(biāo)記物對待測物質(zhì)進(jìn)行標(biāo) 記，通過檢測熒光的強(qiáng)度就可以得到所需的生物化學(xué)信息，雖然其擁有很高的靈敏度，但是 熒光物質(zhì)往往會對被探測物質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)作用，從而限制了其的使用，而且由于無法精確控 制每個(gè)分子上的熒光團(tuán)數(shù)目，所以其在定量分析上的表現(xiàn)也會受到影響。而對于免標(biāo)記的 方法，目標(biāo)探測物無需標(biāo)記，通過測試被探測物質(zhì)的折射率的變化便可以得到所需的生物 化學(xué)信息，且該方法易于進(jìn)行定量分析。集成光學(xué)的發(fā)展使得近年來出現(xiàn)了種類繁多的集成光波導(dǎo)傳感器。各種光波導(dǎo) 傳感器都是根據(jù)倏逝波增強(qiáng)技術(shù)原理提出的，可以實(shí)現(xiàn)無標(biāo)記的傳感。通過倏逝場與包層 物質(zhì)發(fā)生作用，包層物質(zhì)變化時(shí)，引起波導(dǎo)模式折射率的變化，從而使得輸出光的特性發(fā)生 變化。對于輸出光的特性的變化，有兩種測試方法，一種方法是通過監(jiān)測光譜峰值的漂移 Δ λ，另外一種方法則是監(jiān)測固定波長處的強(qiáng)度變化Δ I，如圖1所示。通過監(jiān)測諧振峰漂移來進(jìn)行探測時(shí)，要對整個(gè)頻譜進(jìn)行掃描以精確地找到峰值位 置，因而所需的儀器設(shè)備比較復(fù)雜，且數(shù)據(jù)處理分析時(shí)間很長。而若采用監(jiān)測固定波長處 的強(qiáng)度變化則不需要對整個(gè)頻譜掃描，所需設(shè)備簡單，所需時(shí)間也短，且擁有更高的探測精 度，限制其探測極限的最主要因素是檢測系統(tǒng)的各種噪聲。如 Chung-Yen Chao, Wayne Fung, and L.Jay Guo 在他們的文章 "PolymerMicroring Resonators for Biochemical Sensing Applications，，JOURNAL OFLIGHTffAVE TECHNOLOGY, VOL. 24,NO. 3,MARCH 2006中提到其所制作聚合物環(huán)形諧振腔傳 感器通過監(jiān)測固定波長處的強(qiáng)度變化來探測物質(zhì)折射率的變化，由于受噪聲限制，光電探 測器探測極限為InW，因此限制其折射率探測極限為10_7。近年來，微流體技術(shù)與集成光學(xué)技術(shù)的融合使得片上光學(xué)探測系統(tǒng)成為可能。目 前的微流進(jìn)樣系統(tǒng)基本都為連續(xù)微流進(jìn)樣系統(tǒng)，輸出光學(xué)信號為直流信號，該系統(tǒng)可以起 到對被檢測物質(zhì)進(jìn)樣的作用，但對于提高探測精度并無幫助。

發(fā)明內(nèi)容
針對背景技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于數(shù)字式微滴進(jìn)樣通道的高 靈敏度集成光波導(dǎo)傳感器件，通過控制微滴流經(jīng)集成光波導(dǎo)傳感器的頻率f，從而使得傳感器傳感區(qū)域模式有效折射率發(fā)生周期性變化，使得輸出光信號被調(diào)制為頻率為f的交流信 號，從而在經(jīng)過光電探測器之后可以由鎖相放大器將頻率為f的有用信號提取出來，而濾 除由于激光源以及光電探測器等器件所引入的以白噪聲為主的各種噪聲，并采用監(jiān)測固定 波長處光強(qiáng)變化的方法來測量被檢測物質(zhì)的折射率，從而提高探測精度。本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是本發(fā)明包括數(shù)字式微滴進(jìn)樣通道，輸入光波導(dǎo)，輸出光波導(dǎo)，與輸入光波導(dǎo)和輸出 光波導(dǎo)相耦合的集成平面光波導(dǎo)傳感器，將輸出光波導(dǎo)中光信號轉(zhuǎn)換成電信號的光電探測 器以及與光電探測器相連的鎖相放大器；與輸入光波導(dǎo)和輸出光波導(dǎo)相耦合的集成平面光 波導(dǎo)傳感器放置在數(shù)字式微滴進(jìn)樣通道中緩沖液與待測物質(zhì)混合形成微滴后的下游通道 的下面。 所述的數(shù)字式微滴進(jìn)樣通道為T型數(shù)字式微滴進(jìn)樣通道或Y型分叉結(jié)構(gòu)數(shù)字式微 滴進(jìn)樣通道。所述的集成光波導(dǎo)傳感器為基于微環(huán)諧振腔型的集成平面光波導(dǎo)傳感器、基于微 盤諧振腔型的集成平面光波導(dǎo)傳感器或基于馬赫_曾德干涉結(jié)構(gòu)的集成平面光波導(dǎo)傳感
ο本發(fā)明與背景技術(shù)相比，具有的有益效果是本發(fā)明通過數(shù)字式微滴進(jìn)樣通道將待測物質(zhì)按設(shè)定頻率f流經(jīng)集成光波導(dǎo)傳感 器傳感區(qū)域，可以對傳感器輸出波導(dǎo)所輸出光信號進(jìn)行頻率為f的調(diào)制，使輸出光信號變 為交流信號，通過光電探測器，將光信號變?yōu)殡娦盘柡罂梢允褂面i相放大器將頻率為f的 有效信號提取出來，而將由激光器和光電探測器所引入的以白噪聲為主的噪聲信號最大限 度地濾除，從而大大提高了傳感器的靈敏度。


圖1是背景技術(shù)中提到的兩種不同的對于輸出光學(xué)特性進(jìn)行檢測的方法。圖2是本發(fā)明第一種實(shí)施方式示意圖。圖3是T型結(jié)構(gòu)數(shù)字式微滴進(jìn)樣通道示意圖。圖4是T型結(jié)構(gòu)數(shù)字式微滴進(jìn)樣通道中活塞狀離散微滴流動(dòng)示意圖。圖5是鎖相放大器原理示意圖。圖6是環(huán)形諧振腔傳感器輸出光信號隨覆蓋層折射率變化而變化的示意圖。圖7是數(shù)字式微滴進(jìn)樣通道將微滴以頻率f送入傳感器后，傳感器輸出光強(qiáng)在理 想情況下的示意圖。圖8是Y型分叉結(jié)構(gòu)數(shù)字式微滴進(jìn)樣通道示意圖。圖9是微盤諧振腔型集成平面光波導(dǎo)傳感器示意圖。圖10是基于馬赫_曾德干涉結(jié)構(gòu)的集成平面光波導(dǎo)傳感器示意圖。圖中1、T型數(shù)字式微滴進(jìn)樣通道，2、輸入光波導(dǎo)，3、微環(huán)諧振腔型的集成平面光 波導(dǎo)傳感器，4、輸出光波導(dǎo)，5、光電探測器，6、Y型分叉結(jié)構(gòu)數(shù)字式微滴進(jìn)樣通道，7、鎖相放 大器，8、微盤諧振腔型的集成平面光波導(dǎo)傳感器，9、基于馬赫-曾德干涉結(jié)構(gòu)的集成平面 光波導(dǎo)傳感器，10、鎖相放大器被測量信號，11、鎖相放大器參照信號，12、鎖相放大器相敏 檢波器，13、鎖相放大器低通濾波器，50、傳感器傳感區(qū)域。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。如圖2所示是本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施方式示意圖。它包含一個(gè)T型數(shù)字式微滴進(jìn)樣 通道1，一個(gè)輸入光波導(dǎo)2、一個(gè)與輸入光波導(dǎo)2相耦合的微環(huán)諧振腔型的集成平面光波導(dǎo) 傳感器3，以及一個(gè)與微環(huán)諧振腔型的集成平面光波導(dǎo)傳感器3相耦合的輸出光波導(dǎo)4，一 個(gè)用來探測輸出光波導(dǎo)4輸出光的光電探測器5，以及與光電探測器5連接的鎖相放大器 7。所述T型數(shù)字式微滴進(jìn)樣通道1將待測物質(zhì)以微滴形式或者微滴之間的緩沖液形式，按 設(shè)定的頻率f流經(jīng)微環(huán)諧振腔型的集成平面光波導(dǎo)傳感器3，通過改變該環(huán)型諧振腔包層 的折射率，使得該區(qū)域的模式有效折射率發(fā)生周期性變化。直流光信號從輸入光波導(dǎo)2進(jìn) 入微環(huán)諧振腔型的集成平面光波導(dǎo)傳感器3，受到傳感區(qū)域模式有效折射率周期性變化的 影響，其從輸出光波導(dǎo)4輸出的光信號為交流信號。由光電探測器5將此光信號轉(zhuǎn)換為電 信號，此交流電信號包括頻率為f的有用信號以及各種噪聲源所引入的噪聲信號，再由鎖 相放大器7將頻率為f的有用信號提取出來，而濾除由于激光源、光電探測器等各種噪聲源 產(chǎn)生的以白噪聲為主的噪聲信號，從而大大提高探測精度。如圖3所示是給出了 T型數(shù)字式微滴進(jìn)樣通道的三維結(jié)構(gòu)示意圖，包括兩條微流 通道和它們所形成的T型結(jié)，w為微流通道的寬度，h為微流通道的高度?；ゲ幌嗳艿木彌_ 液a和待檢測液體b從不同的兩個(gè)微流通道注入，在T型結(jié)處形成離散化的微滴，如圖4所 示。通過改變兩個(gè)微流通道所注入液體的流動(dòng)速度，可以改變所形成微滴的形狀和頻率，其 頻率可為幾十赫茲到幾千赫茲。在本發(fā)明中，需要形成如圖4所示的活塞狀微滴，從而獲得 穩(wěn)定的輸出光信號。如圖2所示中鎖相放大器7可以起到提取有效頻率信號和去除噪聲信號的作用。 鎖相放大器采用在無線電電路中已經(jīng)非常成熟的外差式振蕩技術(shù)，把被測量的信號通過頻 率變換的方式轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?，其原理示意圖，如圖5所示。在外差式振蕩技術(shù)中被稱為本地振 蕩的、用于做乘法運(yùn)算的信號，在鎖相放大器中被稱為鎖相放大器參照信號11，是從外面輸 入的。鎖相放大器能夠從鎖相放大器被測量信號10中檢測出與這個(gè)參照信號頻率相同的 分量。在被測量的信號里所包含的各種信號分量中，只有與參照信號頻率相同的那個(gè)分量 才會被鎖相放大器相敏檢波器12轉(zhuǎn)換成為直流，因而才能夠通過鎖相放大器低通濾波器 13。其它頻率的分量因?yàn)楸晦D(zhuǎn)換成為頻率不等于零的交流信號，所以被鎖相放大器低通濾 波器13濾除。鎖相放大器對于噪聲的抑制能力，是由圖5中鎖相放大器低通濾波器13的 截止頻率來確定的。例如，在測量IOkHz的信號時(shí)，如果使用ImHz的低通濾波器(LPF)JP 么就等效于在使用IOkHz 士 ImHz的帶通濾波器，這樣得到的信號就將是IOKHz的有效信號 再加上頻譜寬度僅為為2mHz的噪聲信號，如果換算成Q值，就是5 X IO6,可見其提取有效信 號及去噪能力是非常強(qiáng)的。如圖2所示，對于微環(huán)諧振腔型的集成平面光波導(dǎo)傳感器3，當(dāng)輸入光波導(dǎo)2中輸 入光耦合進(jìn)微環(huán)諧振腔型的集成平面光波導(dǎo)傳感器3中后，在里面發(fā)生諧振。由于環(huán)的自 干涉作用，只有當(dāng)微環(huán)諧振腔型的集成平面光波導(dǎo)傳感器3的光程(光程為環(huán)的長度乘以 其模式有效折射率)滿足光波長的整數(shù)倍時(shí)(該波長稱為環(huán)的諧振波長)，該波長的光波才 能最大限度地從輸出波導(dǎo)4中耦合出來。環(huán)形諧振腔振幅透射系數(shù)為 式中c表示環(huán)與波導(dǎo)間的耦合系數(shù)，n，R分別表示環(huán)的模式有效折射率和半徑。kQ 是光波在真空中的波數(shù)，e為指數(shù)函數(shù)的符號。由(1)式可以得到環(huán)形諧振器的諧振條件2η π R = m λ r(2)其中λ ^是環(huán)的諧振波長，m是某個(gè)正整數(shù)。由該式可以看出，諧振波長會隨著模 式有效折射率的變化而發(fā)生變化。如圖6所示給出了環(huán)形諧振腔輸出光強(qiáng)與波長之間的關(guān)系，以及其光譜峰值和光 強(qiáng)隨波導(dǎo)模式有效折射率變化的情況。在圖2中，令T型數(shù)字式微滴進(jìn)樣通道1中的緩沖 液折射率使圖6中所示環(huán)形諧振腔的輸出光強(qiáng)為極小值，同時(shí)，令被檢測液體折射率使圖6 中所示環(huán)形諧振腔的輸出光強(qiáng)在峰值附近，且它們將以頻率f周期性地通過環(huán)形諧振腔的 傳感區(qū)域，則理想中的輸出光波導(dǎo)4處的輸出光強(qiáng)將會按照頻率f周期性的變化，不考慮任 何噪聲的理想情況如圖7所示，為一周期性矩形函數(shù)。對其進(jìn)行傅里葉變換，令該周期矩形 函數(shù)其占空比為1，在頻率f處的譜值強(qiáng)度為0.318E，E為周期性矩形函數(shù)幅度，即若將其 通過鎖相放大器，其有效信號的強(qiáng)度為0. 318E。采用測量固定波長處光強(qiáng)變化的方法來測量波導(dǎo)模式有效折射率的變化，這可以 獲得更高的探測精度，而影響其探測極限的最主要原因是由激光器光源以及光電探測器所 引入的各種噪聲。激光器光源會引入激光器的強(qiáng)度噪聲，光電探測器主要會引入散粒噪聲、 熱噪聲、暗電流噪聲和Ι/f噪聲，其中Ι/f噪聲在大于IOOHz時(shí)可以忽略不計(jì)，其余皆為白 噪聲。因此本發(fā)明中利用數(shù)字式微滴進(jìn)樣通道的調(diào)制作用，將輸出光信號調(diào)制為頻率為f 的交流信號，再利用鎖相放大器將該頻率為f的有效信號提取出來，而盡最大可能地濾除 各種噪聲，從而提高探測精度。舉例如下在背景介紹中提到Chung-Yen Chao等人在他們所制作聚合物環(huán)形諧振腔傳感器 由于受噪聲限制，光電探測器探測極限為InW，因此限制其折射率探測極限為10_7。而目 前主流的商業(yè)鎖相放大器通過濾除非選定頻率的噪聲，能在比目的信號(IKHz正弦波)強(qiáng) 1000倍以上的噪聲中把目的信號幾乎準(zhǔn)確無誤地檢測出來。因此若通過數(shù)字式微滴進(jìn)樣通 道將輸出信號調(diào)制為交流信號并采用鎖相放大器，該型傳感器探測極限可提高至少3個(gè)數(shù) 量級，達(dá)到10,量級。圖8給出了圖3中T型數(shù)字式微滴進(jìn)樣通道1的另一種實(shí)現(xiàn)方式，Y型數(shù)字式微 滴進(jìn)樣通道6的示意圖。其工作原理和方式和T型數(shù)字式微滴進(jìn)樣通道相同，只是通過增 加分叉，可以實(shí)現(xiàn)不同微滴的進(jìn)樣。這樣可以在一次進(jìn)樣中既完成校準(zhǔn)又完成檢測的工作， 從而提高檢測效率。圖9給出了圖2中集成光波導(dǎo)傳感器3的另一種實(shí)現(xiàn)方式——微盤型 諧振腔傳感器，包括輸入光波導(dǎo)2、微盤諧振腔型的集成平面光波導(dǎo)傳感器8和輸出光波導(dǎo) 4，光在微盤中以回音壁模式(WGM)傳輸，當(dāng)滿足諧振條件時(shí)，其輸出光波導(dǎo)4中輸出光強(qiáng)有 最大值。若改變其傳感區(qū)域所通液體折射率，其模式有效折射率會發(fā)生變化，會使其固定波 長處輸出光強(qiáng)發(fā)生變化，通過探測該輸出光強(qiáng)的變化，可以判定液體折射率的變化。而若通 過數(shù)字式微滴進(jìn)樣通道周期性地改變傳感區(qū)域的折射率，微盤諧振腔的模式有效折射率也 會發(fā)生周期性的變化，從而可以將輸出光波導(dǎo)4處輸出光信號調(diào)制為交流信號，隨后可以
6通過鎖相放大器來提高其探測極限。圖10給出了圖2中集成光波導(dǎo)傳感器3的另一種實(shí)現(xiàn)方式——基于馬赫-曾德干 涉結(jié)構(gòu)的集成平面光波導(dǎo)傳感器，包括輸入光波導(dǎo)2，基于馬赫-曾德干涉結(jié)構(gòu)的集成平面 光波導(dǎo)傳感器9，輸出波導(dǎo)4，傳感區(qū)域50。令該基于MZI結(jié)構(gòu)的集成平面光波導(dǎo)傳感器工 作在某固定波長，當(dāng)MZI結(jié)構(gòu)的兩臂的光程差為該波長整數(shù)倍時(shí)，輸出端4擁有最大光強(qiáng)。 若改變傳感區(qū)域50的液體折射率，使其中一個(gè)臂的模式有效折射率會發(fā)生變化，使得兩臂 的光程差發(fā)生變化，從而會使得輸出端4的輸出光強(qiáng)發(fā)生變化，以此可以來探測傳感區(qū)域 液體的折射率變化情況。而若通過微滴進(jìn)樣系統(tǒng)周期性地改變傳感區(qū)域50的折射率，兩臂 光程差也會發(fā)生周期性的變化，從而可以將輸出波導(dǎo)4處輸出光信號調(diào)制為交流信號，隨 后可以通過鎖相放大器來提高其探測極限。上述實(shí)施例用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進(jìn)行限制。在本發(fā)明的精神和 權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種基于數(shù)字式微滴進(jìn)樣通道的高靈敏度集成光波導(dǎo)傳感器件，其特征在于包括數(shù)字式微滴進(jìn)樣通道，輸入光波導(dǎo)(2)，輸出光波導(dǎo)(4)，與輸入光波導(dǎo)(2)和輸出光波導(dǎo)(4)相耦合的集成平面光波導(dǎo)傳感器，將輸出光波導(dǎo)(4)中光信號轉(zhuǎn)換成電信號的光電探測器(5)以及與光電探測器(5)相連的鎖相放大器(7)；與輸入光波導(dǎo)(2)和輸出光波導(dǎo)(4)相耦合的集成平面光波導(dǎo)傳感器放置在數(shù)字式微滴進(jìn)樣通道中緩沖液與待測物質(zhì)混合形成微滴后的下游通道的下面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字式微滴進(jìn)樣通道的高靈敏度集成光波導(dǎo)傳感器件， 其特征在于所述的數(shù)字式微滴進(jìn)樣通道為T型數(shù)字式微滴進(jìn)樣通道(1)或Y型分叉結(jié)構(gòu) 數(shù)字式微滴進(jìn)樣通道(6)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字式微滴進(jìn)樣通道的高靈敏度集成光波導(dǎo)傳感器 件，其特征在于所述的集成光波導(dǎo)傳感器為基于微環(huán)諧振腔型的集成平面光波導(dǎo)傳感器 (3)、基于微盤諧振腔型的集成平面光波導(dǎo)傳感器(8)或基于馬赫-曾德干涉結(jié)構(gòu)的集成平 面光波導(dǎo)傳感器(9)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于數(shù)字式微滴進(jìn)樣通道的高靈敏度集成光波導(dǎo)傳感器件。包括數(shù)字式微滴進(jìn)樣通道，輸入、輸出光波導(dǎo)，與輸入、輸出光波導(dǎo)相耦合的集成平面光波導(dǎo)傳感器，將輸出光波導(dǎo)中光信號轉(zhuǎn)換成電信號的光電探測器以及與光電探測器相連的鎖相放大器；與輸入、輸出光波導(dǎo)相耦合的集成平面光波導(dǎo)傳感器放置在數(shù)字式微滴進(jìn)樣通道中緩沖液與待測物質(zhì)混合形成微滴后的下面。本發(fā)明將待測物質(zhì)按設(shè)定頻率f流經(jīng)集成光波導(dǎo)傳感器傳感區(qū)域，對傳感器輸出光波導(dǎo)輸出信號進(jìn)行頻率為f的調(diào)制，使輸出信號變?yōu)榻涣餍盘?，并通過鎖相放大器將頻率為f的有效信號提取出來，最大限度地濾除由激光器和光電探測器引入的以白噪聲為主的噪聲，提高傳感器的靈敏度。
文檔編號G01N21/41GK101893562SQ20101020656
公開日2010年11月24日 申請日期2010年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月22日
發(fā)明者何建軍, 寇慶麗, 馬驍 申請人:浙江大學(xué)