[發明專利]一種基于光纖操控單個微球的濃度傳感器

有效

• 申請號: 201710346698.6
• 申請日: 2017-05-17
• 公開（公告）號: CN107084918B
• 公開（公告）日: 2019-11-05
• 發明（設計）人: 龔元;鄒文亮;張晨琳;饒云江
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G01N15/14
• 分類號: G01N15/14
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 甘茂

本發明屬于傳感器技術領域，提供一種基于光纖操控單個微球的濃度傳感器，包括微流芯片、單分散微球、微量進樣泵、微取樣器、單模光纖、泵浦激光器及帶CCD的顯微鏡，其特征在于：所述微流芯片中集成微流通道，單模光纖的一端為平端面，平端面置于微流通道中、且與微流通道共軸，單模光纖另一端連接泵浦激光器；所述單分散微球加入待測溶液中，微取樣器抽取待測溶液，通過微量進樣泵注入微流通道中；所述泵浦激光器產生泵浦激光通過單模光纖傳輸、經平端面出射，采用帶CCD的顯微鏡實時檢測微球與光釬平端面的間距，通過間距檢測實現濃度傳感。本發明濃度傳感器靈敏度高，且加工過程簡單、制備成本低、易與微流芯片集成。

技術領域

本發明屬于傳感器技術領域，具體涉及一種基于光纖操控單個微球的濃度傳感器。

背景技術

傳統的光纖濃度傳感基于微干涉儀或光柵結構；干涉型濃度傳感器基于相位解調，靈敏度高；光柵型濃度傳感器基于波長解調，有復用潛力。但兩者都需要較復雜的加工過程，導致其成本較高。本發明提出基于光纖操控單個微球的濃度傳感器，加工方法簡單，只需切割單模光纖即可得到；光纖操控基于光力效應，由于光力通常為皮牛量級，因此有實現高靈敏度傳感的潛力；該傳感器能夠感知溶液濃度變化引起的微弱斯托克斯阻力的變化，是一種非接觸式的傳感方法。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的缺陷，提供一種基于光纖操控單個微球的濃度傳感器，該濃度傳感器靈敏度高，且加工過程簡單、制備成本低、易與微流芯片集成。為實現該目的，本發明采用的技術方案為：

一種基于光纖操控單個微球的濃度傳感器，包括微流芯片、單分散微球、微量進樣泵、微取樣器、單模光纖、泵浦激光器及帶CCD的顯微鏡，其特征在于：所述微流芯片中集成微流通道，單模光纖的一端為平端面，平端面置于微流通道中、且與微流通道共軸，單模光纖另一端連接泵浦激光器；所述單分散微球加入待測溶液中，微取樣器抽取待測溶液，通過微量進樣泵注入微流通道中；所述泵浦激光器產生泵浦激光通過單模光纖傳輸、經平端面出射，采用帶CCD的顯微鏡實時檢測微球與光釬平端面的間距，通過間距檢測實現濃度傳感。

進一步的，所述單分散微球的直徑為5～10μm。

所述單模光纖的平端面的出射場為發散場，激光出射的方向與微流的流向相對。

從工作原理上講，如圖2所示，所述泵浦激光器產生泵浦激光通過單模光纖傳輸、經平端面出射，同時提供散射力F_s和梯度力F_tg，梯度力F_tg將微球束縛在光軸上、散射力沿著光的出射方向，通過控制微流的流速和光功率，使得微流對微球的斯托克斯阻力F_v與散射力F_s達到平衡，即F_v＝F_s，則微流被捕獲；當泵浦功率、溫度、流速、微球直徑都不變時，微流濃度變大，液體的粘滯系數變大，F_v變大，光纖端面與被操控微球之間的間距(即操控距離)變小；通過CCD的顯微鏡實時檢測操控距離，實現濃度傳感。

本發明的有益效果為：

1.光操控力為皮牛量級，與之平衡的微流斯托克斯阻力極小；斯托克斯阻力與濃度成正比，因此，本發明濃度傳感器具有較高靈敏度；

2.本發明濃度傳感器加工過程非常簡單、制備成本極低；

3.本發明濃度傳感器能夠與微流芯片集成，實現微流濃度傳感，體積小。

附圖說明

圖1為本發明基于光纖操控單個微球的濃度傳感器結構示意圖，

其中，1為微進樣泵，2為微取樣器，3為微流芯片，4為帶CCD的顯微鏡，5為計算機，6為泵浦激光器，7為單模光纖，8為單分散微球(實施例中采用聚苯乙烯微球)。

圖2為本發明單個微球在微流通道內的受力示意圖。