[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于光微流染料激光的流速傳感方法及裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710650211.3
• 申請(qǐng)日: 2017-08-02
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107589275B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-01-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 龔元;龔朝陽(yáng);楊宏霞;范茂雯;饒?jiān)平?/a>
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01P5/26
• 分類(lèi)號(hào): G01P5/26;B01L3/00
• 代理公司: 51203 電子科技大學(xué)專(zhuān)利中心
• 代理人: 甘茂

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于光微流染料激光的流速傳感方法及裝置。該流速傳感系統(tǒng)包括高重頻脈沖激光器、透鏡、反射鏡、法珀腔鏡、微量進(jìn)樣泵、注射器、塑料毛細(xì)管、2根方形玻璃毛細(xì)管、光電探測(cè)器和數(shù)據(jù)采集卡。染料注入毛細(xì)管，法珀諧振腔提供光反饋，并在脈沖激光泵浦下形成微流激光。微流的流速增大，微流激光輸出的衰減時(shí)間越長(zhǎng)。基于此原理，實(shí)現(xiàn)流速傳感。本發(fā)明具有靈敏度高、集成度高的特點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于傳感器領(lǐng)域，具體涉及一種基于光微流染料激光的流速傳感方法。

背景技術(shù)

微流速的控制與測(cè)量對(duì)許多微流控芯片應(yīng)用都至關(guān)重要。在流式細(xì)胞分析、微粒/細(xì)胞計(jì)數(shù)與分選中，流速直接決定了檢測(cè)或分選速度，常用于確定單位體積內(nèi)細(xì)胞的絕對(duì)數(shù)量；在生物制藥中，流速也起著重要作用，例如影響細(xì)胞增殖、單克隆抗體產(chǎn)生；在化學(xué)微反應(yīng)器研究中，流速直接決定了微液滴形成的速率及其尺寸。因此，微流體的流速控制及其精確測(cè)量十分必要。

傳統(tǒng)微流速傳感方法包括電化學(xué)、光熱效應(yīng)、懸臂梁、粒子示蹤測(cè)速等，其測(cè)量范圍、靈敏度往往不能滿(mǎn)足需求。光微流激光采用微量體積(微升到納升量級(jí))的液體材料作為增益介質(zhì)，結(jié)合激光諧振腔的高品質(zhì)因子，可實(shí)現(xiàn)高靈敏度傳感，并且容易與微流控芯片集成。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述問(wèn)題或不足,本發(fā)明根據(jù)液體流速增大，微流激光輸出的衰減時(shí)間越長(zhǎng)的特點(diǎn)提出了基于光微流染料激光的流速傳感方法。該流速傳感方法具有靈敏度高、體積小等特點(diǎn)。

本發(fā)明涉及的一種基于光微流染料激光的流速傳感方法，傳感方法包括以下步驟：

步驟1：將方形玻璃毛細(xì)管置于兩塊法珀腔鏡之間，構(gòu)成法珀諧振腔；

步驟2：將羅丹明染料注入需要檢測(cè)流量的方形玻璃毛細(xì)管，采用高重頻脈沖激光器作為泵浦激光，法珀諧振腔提供光反饋，形成微流激光；

步驟3：由光電探測(cè)器接收微流激光，并記錄電壓信號(hào)隨時(shí)間衰減曲線(xiàn)；

步驟4：改變微量進(jìn)樣泵的流速，重復(fù)步驟3，測(cè)得一系列流速對(duì)應(yīng)的電壓隨時(shí)間衰減曲線(xiàn)；

步驟5：實(shí)際測(cè)量流速時(shí)，采用步驟1到步驟3的方法獲得電壓隨時(shí)間衰減曲線(xiàn)，對(duì)比步驟4獲得的一系列不同流速下的衰減曲線(xiàn)，獲得當(dāng)前的流速。

進(jìn)一步的，所述步驟5的具體方法為：

步驟5.1：以電壓衰減至初始電壓的1/e所需要的時(shí)間作為衰減時(shí)間,e為自然對(duì)數(shù)的底數(shù)，通過(guò)函數(shù)t＝A exp(x/τ)+t₀擬合衰減時(shí)間與流速的關(guān)系得到標(biāo)定曲線(xiàn)(即：衰減時(shí)間(Y軸)隨流速(X軸)的變化趨勢(shì))，t為流速為x時(shí)對(duì)應(yīng)的衰減時(shí)間，A,τ,t₀為擬合參數(shù)；

步驟5.2：實(shí)際測(cè)量流速時(shí)，通過(guò)測(cè)得衰減時(shí)間t，結(jié)合擬合函數(shù)和擬合參數(shù)，反推得到待測(cè)流速。

進(jìn)一步的，所述脈沖激光的參數(shù)為：重復(fù)頻率為4kHz-8KHz，脈沖寬度為5ns-9ns。一方面，該激光器較高的重復(fù)頻率增強(qiáng)了染料的光漂白效應(yīng)；另一方面，較窄的脈沖寬度使其具有較高的峰值功率，更容易達(dá)到激光閾值。

一種采用基于光微流染料激光的流速傳感方法的裝置，該裝置包括：高重頻脈沖激光器、透鏡、反射鏡、法珀腔鏡、微量進(jìn)樣泵、注射器、塑料毛細(xì)管、方形玻璃毛細(xì)管、光電探測(cè)器和數(shù)據(jù)采集卡。其中微量進(jìn)樣泵控制注射器向塑料毛細(xì)管注入微量羅丹明染料，塑料毛細(xì)管連接方形玻璃毛細(xì)管，方形玻璃毛細(xì)管設(shè)置于法珀諧振腔的兩塊法珀腔鏡之間；采用高重頻脈沖激光器發(fā)出激光，通過(guò)透鏡匯聚于兩塊法珀腔鏡之間的方形玻璃毛細(xì)管作為泵浦激光，法珀諧振腔提供光反饋，形成微流激光；由光電探測(cè)器接收微流激光，并記錄電壓信號(hào)隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)；通過(guò)該變化曲線(xiàn)計(jì)算出流速。

進(jìn)一步的，所述法珀諧振腔的兩塊法珀腔鏡之間設(shè)置兩根方形玻璃毛細(xì)管，一根通過(guò)微流液體，另一根起支撐作用。