基于波分复用技术的多通道光微流体传感器及传感装置

摘要

基于波分复用技术的多通道光微流体传感器和传感装置。包括：宽带光源，光环形器，光谱分析装置，以及多通道光微流体传感器。传感器由基底及其上依次设置的波导光栅阵列和光微流体谐振腔阵列构成。宽带光源输出的光通过光环形器到达多通道光微流体传感器，其反射光信号也将微流体谐振腔的谐振模波长信息带回接收端，再经光环形器进入到光谱分析装置。该装置能够有效地实现多通道光微流体传感，可用于高通量光微流体检测系统的构建。通过设计波导光栅的参数，可有效控制波导光栅与光微流体谐振腔的相互作用，有效增加光谐振谱线响应峰值，从而提高检测灵敏度。该装置适用于多种应用场合，且制作容易，能够用已有技术实现批量生产。

说明书

【技术领域】：

本发明涉及可用于各种基于光微谐振传感的多通道复用技术领域，尤其是光微流体传感的波分复用，属于光生物和化学传感技术。

【背景技术】：

基于微谐振光学技术的无标记生物传感器直接测量分子相互作用，能实现生物分子相互作用的实时观察，由于无需待测分析物具有荧光，特征吸收或散射带等特殊性质，测量对象范围大大扩展，可探测毒素，蛋白质，DNA，甚至整个细胞行为，从而为医学诊断，药品研制，食物监测，环境监测等领域提供了有力的分析工具。

光微谐振腔利用全反射将光完全约束在微腔内，形成驻波而产生回音壁谐振模(WhisperGallery Mode，WGM)，由于是全反射，泄漏损耗非常小，因而光微谐振腔可以很小的尺寸获得很高的Q值，Q值可高达10¹⁰。当附在微腔表面的待测物浓度引起折射率变化时，谐振腔的有效折射率将产生变化，从而引起谐振波长漂移。通过检测波长漂移，即可检测出待测物浓度变化。球形、环形和柱形是光微谐振腔的常见几何形状。如2002年，F.Vollmer利用光微谐振腔的高Q值，基于微球提出一种新型生物传感器(F.Vollmer，D.Braun，A.Libchaber，“Protein detection by opticalshift of a resonant microcavity，”Applied Physics Letters，2002，80(21)：4057-4059)，微球腔理论上具有最高的品质因子，但固定夹持困难，不容易实现集成。基于平面光波导技术的微环和微盘可采用集成光学光刻的方式制作，易于大规模集成，因此基于微环(如A.Ksendzov，Y.Lin，“Integrated opticsring-resonator sensors for protein detection，”Optics Letters，2005，30(24)：3344 3346；Yalcin，A.Popat，K.C.Aldridge，J.C.，et al.，″Optical sensing of biomolecules using microring resonators，″IEEE Journal ofSelected Topics in Quantum Electronics，2006，12(1)：148-155)、微盘谐振腔(如E.Krioukov，D.J.W.Klunder，A.Driessen，J.Greve，and C.Otto，″Sensor based on an integrated optical microcavity，″Opt.Lett.2002，27，512-514)的光学传感器的研究工作得到较多关注。但是光刻产生的微腔表面不光滑，大大降低了实际微腔的Q值，从而丧失了灵敏度的优势。D.K.Armani等通过对微盘进行回流处理(D.K.Armani，T.J.Kippenberg，S.M.Spillance，k.J.Vahala，″Ultra high Q toroid microcavity on a chip，″Nature，2003，421：925-928)，使微腔Q值得以超过10⁷，利用该微谐振腔，该课题组的Andrea M.Armani等进一步成功地实现了对单个生物分子的探测(Andrea M.Armani，Rajan P.Kulkarni，ScottE.Fraser，Richard C.Flagan，Kerry J.Vahala，″Lable-free，single-molecule detection with opticalmicrocavities，″Science，2007，317：783-787)，充分表明了光微谐振腔生物传感器的灵敏度优势。但为了使微谐振腔与待检测分子能够相互作用，这些传感器均需要另外设计制作分立的样品池或样品通道，使得整个传感系统实现复杂。采用毛细管技术的微谐振腔传感器可实现样品通道和传感通道的合二为一，大大简化传感器结构并提高可靠性(如I.M.White，H.Oveys，and X.Fan，″Liquid-coreoptical ring-resonator sensors，″Opt.Lett.，2006，31，1319-1321)。

但由于缺乏对多通道复用的研究，目前微谐振腔光学传感器仍无法实现大通量测量。在微谐振腔生物光学传感器复用方面的探索，目前仅见有F.Vollmer等通过涂不同的寡核苷酸，实现了两个微球的复用谱线探测(F.Vollmer，S.Arnold，D.Braun，I.Teraoka，A.Libchaber，“Multiplexed DNAquantification by spectroscopic shift of two mcirosphere cavities，″BiophysicalJounal，2003，85：1974-1979)，I.M.White等通过在毛细管处涂不同的待测分析试剂实现微环复用(I.M.White，Hesam Oveys，Xudong Fan，“Integrated multiplexed biosensors based on liquid core optical ringresonantors and antiresonant refelcting optical waveguides，”Applied Physics letters，2006，89：191106)，两者复用技术实质相同，属空分复用，只适用于同时检测不同待测物的情况。在通信领域，则有研究人员通过使微腔阵列中的每个微腔尺寸不同来实现WGM谐振谱线的分离([Shuichi Suzuki，Yutaka Hatakeyama，Yasuo Kokubun，Sai Tak Chu，“Precise control of wavelength channel spacing ofmciroring resonator add-drop filter array，”Journal of Lightwave Technology，2002，20(4)：745-750)，然而这一方法并不适用于检测，因为将使制作和操作变得很复杂，导致检测一致性变差或不稳定。在生物和化学传感检测发展中，实现标准的96井或384井的大通量测量是生物光学传感器的真正能够应用和发挥其优势的前提，设计新型的多通道光微流体测量方案就很关键。

【发明内容】：

本发明的目的是解决上述微谐振传感复用技术的不足，提出一种基于波导光栅波分复用的多通道光微流体传感装置和方法。

本发明提供的基于波分复用技术的多通道光微流体传感器，包括基底，基底上为波导光栅阵列，在波导光栅阵列上设置有光微流体谐振腔阵列。所述的光微流体传感器中的光微流体谐振腔阵列在空间上与波导光栅阵列一一对应，波导光栅阵列中的同一串联制作的各波导光栅谐振波长各不相同，且中心波长分别对应于光微流体谐振腔的谐振梳妆谱系列的其中一条谱线。

所述的光微流体谐振腔阵列中的光微流谐振腔是微球、微环、微盘或微管形式。所述的波导光栅阵列中的波导光栅是平面波导光栅结构，或是光纤光栅结构。

本发明同时提供了一种基于波分复用技术的多通道光微流体传感装置，该传感装置包括：

宽带光源：用于提供传感检测光源；

光环形器：用于分别将宽带光源发出的光引入到以上提供的光微流体传感器和接受光微流体传感器反射回的光；

光微流体传感器：采用以上提供的光微流体传感器，该传感器中的光微流体谐振腔阵列在空间上与波导光栅阵列一一对应，波导光栅阵列中的同一串联制作的各波导光栅谐振波长各不相同，且中心波长分别对应于光微流体谐振腔的谐振梳妆谱系列的其中一条谱线；通过选择波导光栅的反射率以选择性地通过消逝场耦合激发光微流谐振腔的谐振模，然后波导光栅的反射光信号也将微流体谐振腔的谐振模波长信息带回接收端；

光谱分析装置：对光微流体传感器中的波导光栅阵列的反射谱进行分析，即可完成高灵敏度多通道的光微流体谐振同时检测。

光谱分析装置可以采用宽带光源和可调谐滤波器扫描探测组合的形式，也可以是可调谐激光器和探测器组合形式。

上述的环形器也可以采用光纤耦合器代替。上述的波导光栅可以是各种平面波导光栅结构，也可以是光纤光栅结构。

本发明提供的基于波分复用的多通道光微流体传感方法，以宽带光源和可调谐滤波器组合的光谱分析装置为例，其工作过程如下：

宽带光源的光通过光环形器到达待测一路光微流体传感器阵列左侧，光微流体传感器的波导光栅阵列中的光栅具有不同的谐振波长，且波导光栅的反射率经过设计可以保证选择性地通过消逝场耦合激发光微流谐振腔的逆时针的谐振模，通过波导光栅的正向传输和反向传输的耦合作用进一步激发起顺时针的谐振模，则两谐振模间因波导光栅存在如下关系：

$\frac{\mathrm{da}}{\mathrm{dt}}=({\mathrm{j\omega }}_a-\frac{1}{{\tau }_a})a-{\mathrm{j\mu }}_a{S}_{\mathrm{in}}-\mathrm{jub}$

$\frac{\mathrm{db}}{\mathrm{dt}}=(j{\omega }_b-\frac{1}{{\tau }_b})b-\mathrm{jua}$

式中a和b分别为逆时针和顺时针谐振模能量振幅，ω_a和ω_b分别是逆时针和顺时针的光微流体谐振腔谐振模的谐振波长，τ_a和τ_b分别是逆时针和顺时针的光微流体谐振腔谐振模的衰减常数，u为波导光栅引起的逆时针和顺时针的光微流体谐振腔谐振模互耦合系数，S_in为输入光场振幅，为a对时间t的微分，为b对时间t的微分，j为虚数单位。

通过设计选择合适的波导光栅参数如折射率调制深度，光栅长度等，可以改变u值，达到最佳耦合谐振，使与该波导光栅中心波长相近的光微流体谐振腔谐振模得到有效增强，从而克服因光微流体传感器的光微流体谐振腔阵列间存在的阴影效应，即解决它们之间的谐振梳状谱线互相遮挡，而无法单独抽取出各个光微流体传感器谱线的问题。当待测物浓度变化时，将引起光微流体谐振腔有效折射率变化，进而引起谐振波长的漂移。由于波导光栅的反射谱宽度远大于光微流体谐振谱的谱宽，因此波导光栅的反射谱中将总是能够容纳并携带光微流体谐振光谱信号。采用由可调谐滤波器组成的高精度光谱分析装置对波导光栅阵列的反射谱进行分析，即可完成高灵敏度多通道的光微流体谐振同时检测。

本发明的优点和积极效果：

1.提出基于波导光栅的光微流体传感器波分复用技术和装置，能够有效地实现多通道光微流体传感，可用于高通量光微流体检测系统的构建。

2.通过设计波导光栅的调制深度(0.0001-0.05)，光栅长度(20μm-150μm)以及波导光栅与谐振腔的间隙(10nm-300nm)等参数，可有效控制波导光栅与光微流体谐振腔的相互作用，可以实现顺时针和逆时针谐振模的同时激发，有效地增加光谐振谱线响应的峰值，从而提高检测灵敏度。

3.基于波导光栅的复用技术可以适用于多种结构形式的光微流体谐振腔，如光微球腔，光微环腔，光微盘腔和光微管腔等，可以实现多种多通道光微流体传感方案，从而适用多种应用场合。

4.所提出的基于波导光栅的光微流体传感器复用技术制作容易，能够采用已有的波导制作技术实现批量生产。

【附图说明】：

图1是本发明基于波导光栅的多通道光微流体传感装置示意图；

图2是波导光栅耦合激发逆时针和顺时针的光微流体谐振腔谐振模示意图；

图3是基于波导光栅的光微流体传感器波分复用的示意图；

图4是采用两个波导光栅复用时的光微流体传感系统的反射谱和透射谱；

图5是基于光纤光栅和微毛细管的光微流体传感器示意图；

图6是基于波分复用技术的光微流体传感器微阵列示意图。

【具体实施方式】：

实施例1：基于波分复用技术的多通道光微流体传感装置

如图1所示，该传感装置包括：宽带光源1，光环形器2，光谱分析装置3，待测一路多通道光微流体传感器阵列4(由基底上依次设置的波导光栅阵列5和光微流体谐振腔阵列6构成)。

宽带光源1输出的光通过光环形器2到达待测一路多通道光微流体传感阵列4的左侧，其中的波导光栅阵列5中的光栅具有不同的谐振波长，能选择性地通过消逝场耦合激发不同阶数的光微流体谐振腔阵列6的逆时针的谐振模，然后通过波导光栅阵列5的正向传输和反向传输的耦合作用进一步激发起顺时针的谐振模，波导光栅阵列5反射光信号经光环形器2进入到光谱分析装置3。

实施例2：基于波分复用技术的多通道光微流体传感方法

上述多通道传感装置的传感过程如下：

图1中的宽带光源1输出的光通过光环形器2到达待测一路多通道光微流体传感器阵列4左侧，其中的波导光栅阵列5中的光栅具有不同的谐振波长，能选择性地通过消逝场耦合激发不同阶数的光微流体谐振腔阵列6的谐振模，然后波导光栅阵列5反射光信号携带谐振模谐振波长信息经光环形器2进入到光谱分析装置3。

光微流体谐振模的激发过程如图2所示，复用通道由波导13和基底14组成，从复用通道左侧进入的入射光9通过消逝场10在光微流体谐振腔6中激发起逆时针谐振模7，然后通过波导光栅5的反馈作用，在光微流体谐振腔6激发起顺时针谐振模8，则两谐振模间因波导光栅存在如下关系：

$\frac{\mathrm{da}}{\mathrm{dt}}=({\mathrm{j\omega }}_a-\frac{1}{{\tau }_a})a-{\mathrm{j\mu }}_a{S}_{\mathrm{in}}-\mathrm{jub}$

$\frac{\mathrm{db}}{\mathrm{dt}}=(j{\omega }_b-\frac{1}{{\tau }_b})b-\mathrm{jua}$

式中a和b分别为逆时针和顺时针谐振模能量振幅，ω_a和ω_b分别是逆时针和顺时针的光微流体谐振腔谐振模的谐振波长，τ_a和τ_b分别是逆时针和顺时针的光微流体谐振腔谐振模的衰减常数，u为波导光栅引起的逆时针和顺时针的光微流体谐振腔谐振模互耦合系数，S_in为输入光场振幅，为a对时间t的微分，为b对时间t的微分，j为虚数单位。通过设计选择合适的波导光栅参数如折射率调制深度(0.0001-0.05)，光栅长度(20μm-150μm)以及波导光栅与谐振腔的间隙(10nm-300nm)等参等，可以改变u值，达到最佳耦合谐振，使与该波导光栅中心波长相近的光微流体谐振腔谐振模得到大为加强，其他光11透射通过，从而克服因光微流体传感器的微谐振腔阵列间存在的阴影效应，即解决它们之间的谐振梳状谱线互相遮挡，而无法单独抽取出各个光微谐振腔传感器谱线的问题。参数的设计可以采用RSoft的FULLWAVE等软件进行设计计算获得，如折射率调制深度为0.0001-0.05，光栅长度为20μm-150μm，波导光栅与谐振腔的间隙为10nm-300nm。光微流体谐振腔内壁表面能够被激发的谐振模的径向分布依赖于待测生物分子折射率n₁，即$E_{m,l}\left(r\right)={\mathrm{AJ}}_m\left(k_0^l{n}_{1}r\right),$J_m是m阶贝塞尔函数，k₀^l是真空中的l阶径向WGM模波矢的幅值，当待测物浓度变化时，将引起光微流体谐振腔有效折射率变化，改变谐振模进而引起谐振波长的漂移。如乙醇水溶液的折射率与乙醇的摩尔百分比x之间存在稳定的关系n＝1.33828+0.179258x-0.380008x²+0.351867x³+0.124503x⁴，光微流体谐振腔谐振波长移动与折射率存在关系～10nm/RIU，式中RIU为折射率单位。由这两个关系即可反推浓度信息。由于波导光栅的反射谱宽度远大于光微流体谐振谱的谱宽，因此波导光栅的反射光12中的反射谱中将总是能够容纳并携带光微流体谐振光谱信号。采用由可调谐滤波器组成的高精度光谱分析装置对波导光栅阵列的反射谱进行分析，即可完成高灵敏度多通道的光微流体谐振同时检测。

本发明方法中：

1.光谱分析装置可以采用宽带光源和可调谐滤波器扫描探测组合的形式，也可以是可调谐激光器和探测器组合形式或其他光栅式光谱分析仪。

2.光微流体谐振腔可以是微球，微环，微盘或微管形式。上述的环形器也可以采用光纤耦合器代替。

3.波导光栅可以是各种平面波导光栅结构，也可以是光纤光栅结构。

4.可用于各种以折射率测量为基础的生物，化学多通道传感应用场合。

实施例3：两通道光微流体传感复用举例

两通道的复用于如图3所示，传感复用通道由波导13和基底14组成，波导光栅阵列5制作于波导13中，且两个波导光栅具有不同的反射中心波长，在波导光栅阵列5的上方放置有同样结构参数的光微流体谐振腔6，入射光通过消逝场10耦合进入光微流体谐振腔6中，激发起逆时针谐振模7和顺时针谐振模8。波导光栅阵列5的反射信号15和反射信号16将携带谐振模的谐振波长信号(见图4中的反射谱)。

实施例4：应用举例

本发明的多通道光微流体传感装置和方法可以应用于基于微毛细管的微谐振腔生物传感。

其局部传感器结构如图5所示。在微毛细管18内壁固化生物检测试剂19，微流体检测样品20从微毛细管18中输送。微毛细管18在管壁中构成垂直于轴向的微谐振腔，在其谐振腔中传播的光波通过消逝波场渗入到微毛细管18中的微流体检测样品20中进行探测。

当输送待检测生物分子的微流体17通过毛细管时，生物检测试剂19和检测样品20的生物分子相互作用改变折射率，从而改变谐振波长。输入光9在光纤光栅22作用下通过消逝场耦合激发微谐振腔的谐振模。通过分析光纤光栅的反射谱可以确定光微流体谐振腔谐振波长的信息，进而推知生物分子作用的信息，即生物检测试剂19和检测样品20相互结合的浓度。图6将本发明的光微流体波分复用技术与空分技术相结合，即在同一微毛细管中的不同位置固化不同的检测试剂阵列23，然后同时输入多个微流体，如微流体24，微流体25，微流体26等，即可构成微阵列检测装置，通过分析在传感复用通道28(由基底14，波导13和制作于波导13中的波导光栅阵列5组成)中的光信号27即可完成检测。