[發明專利]法布里帕羅微腔傳感芯片及其制備方法和分子檢測系統

在審

• 申請號: 202210595327.2
• 申請日: 2022-05-28
• 公開（公告）號: CN115015170A
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發明（設計）人: 趙旭陽;吳翔;李宇翔;羅曼;郭志和
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

本發明屬于光學傳感器技術領域，具體為一種用于氣體分子、生物分子檢測的法布里帕羅微腔傳感芯片及其制備方法和檢測系統。本發明傳感芯片包括制備有微泡的毛細石英管以及微泡表面鍍覆的高反射率薄膜；微泡為中空結構；微泡表面的反射膜及微泡液芯區域形成法布里帕羅微腔。本發明基于微泡的透鏡效應，克服了傳統法布里帕羅諧振腔對平面反射鏡之間高平行度的要求，減小了腔內諧振模式的體積，增加了腔內的光能量密度，使光與物質之間的相互作用增強；結合氣體分子、生物分子對特定波段的光吸收特性以及比爾朗伯定律，實現對于超低濃度化學氣體分子或生物分子的高靈敏度以及微量、痕量分析物檢測。傳感芯片結構簡單，制備方便，且重復利用率高。

技術領域

本發明屬于光學傳感器技術領域，具體涉及用于化學氣體分子、生物分子檢測的法布里帕羅微腔傳感芯片及其制備方法和分子檢測系統。

背景技術

近年來，氣體的檢測技術對于環境污染物監測、人體疾病以及呼吸診斷等方面具有極大的應用前景。常見的氣體測量方法有氣相色譜法、電化學法、化學發光法以及吸收光譜法。相比于前三者，吸收光譜法具有測量范圍寬、相應時間快、特異性強、高靈敏度以及小型化等優點，成為了一種理想的化學氣體監測技術。其中基于吸收光譜法的法布里帕羅諧振腔，由于腔自身導致的極高品質因子，導致腔內傳輸光的有效光程增加，因而光與物質充分相互作用，導致在特定波段的氣體分子光吸收增強。通常構成法布里帕羅腔的腔鏡反射率越高，傳感器越靈敏，對低濃度氣體分子的檢測能力越強。

常規的法布里帕羅諧振腔(Fabry-Pérot resonator,FP)由兩塊保持高度平行的反射鏡組成，其中入射光滿足腔的諧振條件時，可以在腔內形成穩定的駐波場分布。理論上，反射鏡的反射率越高，光在腔內被反射的次數越多，導致光與具有吸收的化學氣體分子或生物分子相互作用越強，傳感的分辨率越高。然而，在實際制備法布里帕羅諧振腔傳感器時，由于腔鏡無法保證高度平行，光在腔內傳輸的同時引入多次反射損耗，導致微腔的品質因子急劇下降。此外，由于缺乏橫向模式約束，腔內諧振光場的模式體積增大，導致光能量密度減小，即光與物質作用強度下降。以上問題都限制了法布里帕羅微腔對于超低濃度的化學氣體分子的檢測。

發明內容

本發明的目的在于提供一種可以實現超低濃度化學氣體分子、生物分子檢測的法布里帕羅微腔傳感芯片及其制備方法，此外還提供基于該法布里帕羅微腔傳感芯片的氣體分子、生物分子檢測系統。

本發明提供的用于氣體分子、生物分子檢測的法布里帕羅微腔傳感芯片，其結構如圖1所示；包括：一根制備有微泡的毛細石英管以及微泡表面鍍覆的高反射率薄膜；其中，微泡為中空結構；微泡表面的反射膜及微泡液芯區域形成法布里帕羅微腔；毛細石英管兩端開口，一端通過特氟龍管與微流控系統連接，另一端通過特氟龍管與待測分析物(化學氣體分子、生物分子)連接。

本發明中，所述高反射率薄膜的反射率為98-100％。

本發明中，所述高反射率薄膜為金屬膜，如在微泡表面鍍制40-60nm厚的金膜、銀膜等，從而使得微泡表面的反射率范圍為98-100％；或為多層高低折射率周期性交叉排列的介質薄膜，如在微泡表面依次沉積11-31層高低折射率的材料，從而使得微泡表面的反射率范圍為 98-100％。

本發明中，所述高反射率薄膜的反射波段從近紫外光到中紅外光。

本發明中，所述石英管的直徑為100-1000μm。

本發明中，所述石英微泡的直徑為200-1100μm，壁厚為5-15μm，微泡的形狀為扁橢球狀。

本發明中，微泡的數量可為一個或者多個，如1-5個。

本發明中，所述石英管的材料優選為二氧化硅。

本發明提供的法布里帕羅微腔傳感芯片可用于化學氣體分子、生物分子檢測。在進行檢測時，根據檢測對象對光的吸收特性，結合比爾朗伯定律實現基于光學手段、實時快速檢測化學氣體分子、生物分子的濃度及種類。