基于光波導的光流控傳感器

傳統的光波導用于折射率檢測時(shí)，光在固體波導中傳播，傳播過(guò)程中產(chǎn)生的條逝場(chǎng)會(huì )與被檢測物發(fā)生相互作用進(jìn)而產(chǎn)生相移或強度變化。由于條逝場(chǎng)的趨膚深度相對較小，在固體條件下，被檢測物質(zhì)很難同條逝場(chǎng)進(jìn)行很強的作用。而液體波導的引入可以增大被檢測物質(zhì)同條逝場(chǎng)的相互作用，實(shí)現更高效率的波導傳感器。

基于液芯的反諧振反射型波導（ARROW）是一種新型的光流體結構，在液芯中，光與物質(zhì)的相互作用十分強烈?；谠摻Y構的光流控傳感器具有很高的效率和敏感度，而結構卻十分精簡(jiǎn)。Campopiano等率先利用多模液體ARROW實(shí)現了光學(xué)體折射率傳感器。其液體的入口和出口被刻在一塊硅基底上，發(fā)射光纖和接收光纖被直接插入到液芯中。在液芯的折射率變化時(shí)，透射光譜的位移將會(huì )發(fā)生改變，從而實(shí)現對液芯折射率的傳感功能。其敏感度可以達到每單位折射率555nm，其可識別的折射率變化為9×10^-4。同樣的結構還被用于實(shí)現水中特定蛋白質(zhì)的檢測。此外，多模液體反諧振反射型波導還可用于實(shí)現流式細胞儀應用。由細胞調制的激發(fā)光被ARROW限制在光流控溝道內傳播，形成了高效的光調制機制。利用水力聚焦將細胞瘤控制在溝道中間，兩根光纖被正交地置于溝道兩側以收集熒光的發(fā)射光譜。由于多模ARROW具有一個(gè)很大的核心區域，大量樣品會(huì )產(chǎn)生較強的背景信號干擾，使其敏感度降低。隨著(zhù)光流控加工技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)現了僅幾微米的小尺寸溝道，使單模的液芯ARROW可以應用于更高敏感度的檢測。Yin等利用pL級別的核心容積實(shí)現了對染料分子的熒光檢測，其檢測的限度可以達到490個(gè)分子量級。通過(guò)改變芯片的結構設計，利用ARROW還可實(shí)現多種功能的光流控傳感器。例如利用多模干涉實(shí)現波分復用器對單個(gè)病毒進(jìn)行探測，馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x等（圖3）。

除了利用液芯的ARROW實(shí)現光流控傳感器外，液-液光流控波導也可以實(shí)現利用條逝場(chǎng)的探測功能。在不同種類(lèi)流體分別從不同入口流入光流控芯片時(shí)，他們之間會(huì )發(fā)生對流擴散，而當入口及出口的壓力穩定后，在芯片的溝道內，不同流體之間可以形成穩定的濃度場(chǎng)。其對流擴散過(guò)程可以表達為

其中，D為流體間的擴散系數；C為摩爾濃度；U為流體流速。 

不同流體之間按照不同比例混合，其物質(zhì)的量濃度和折射率之間存在一一對應的關(guān)系，因此其形成的濃度場(chǎng)可以進(jìn)一步引申為折射率場(chǎng)。由式（3）可以看出，*終形成的場(chǎng)的分布主要與流速和擴散系數有關(guān)，其中等號左邊的項為擴散的影響，等號右邊的項為對流的影響。Pelect數（Pe）是一個(gè)無(wú)量綱的系數，其大小由對流擴散系數，流速和芯片的特征尺寸決定。通過(guò)Pe值的大小，可以描述出對流和擴散程度的大小。當Pe值較大時(shí)，分布將由對流項主導，此時(shí)會(huì )在溝道內形成階躍式的折射率分布。Liang等通過(guò)調節通入液體的折射率，使得光以特定角度照射在階躍的液液界面時(shí)，可以發(fā)生全反射，利用全反射產(chǎn)生的倏逝場(chǎng)實(shí)現了對微納顆粒的探測和計數。在該應用中，液體被分為3股分別注入到芯片中，通過(guò)水力聚焦將中心液體夾流成寬度僅為1μm的窄流。而液體之間具有十分平滑的界面，具有良好的反射條件，如圖3（c）、圖3（d）所示。其通入的液體分別為混合油（流體1，折射率為1.406，黏滯系數為9.2mPa·s），乙二醇和水的混合液（芯層和流體2，折射率為1.4，黏滯系數為6mPa·s）。光的入射角度為85°，入射角度同流體的折射率進(jìn)行了相應匹配，可以使光在界面上恰好發(fā)生全反射，形成倏逝場(chǎng)，其趨膚深度為1μm，同夾流層的大小相當。顆?；旌显谛緦恿黧w中，通過(guò)夾流存在于厚度為1μm的全反射界面。當粒子通過(guò)倏逝場(chǎng)產(chǎn)生的區域時(shí)，被明顯地照亮，實(shí)現探測和計數的功能。此外，利用階躍折射率的光流控系統還可實(shí)現流式細胞儀等應用。

基于表面等離子共振的光流控傳感器

當一束光在一定角度范圍內入射到金屬表面時(shí)，其電磁干擾會(huì )導致金屬表面產(chǎn)生等離子波，倘若入射光和表面等離子波的傳播常數相匹配，金屬膜內的電子將會(huì )產(chǎn)生共振，使得反射光強度大幅減弱，從而形成一個(gè)吸收峰，這就是表面等離子共振（SPR）現象。SPR對金屬表面約300nm范圍內的折射率十分敏感，利用這一特性，可以實(shí)現折射率傳感器和生化傳感器應用。而SPR同樣可以集成于光流控系統中，對液體或液體攜帶的物質(zhì)進(jìn)行分析和檢測，實(shí)現基于SPR的光流控傳感器應用。如Lee等將平行排布溝道的光流控芯片置于金膜上，配體物分子和分析物分子直接同時(shí)通入溝道中，在金膜表面進(jìn)行相互作用，實(shí)現了對生物樣品的檢測和成像，如圖4（a）所示。Barik等利用金納米孔陣列同光流控芯片相結合的方式實(shí)現了對生物樣品的分析檢測，其中，金納米孔陣列還可產(chǎn)生梯度介電泳力以聚集生物樣品，如圖4（b）所示。

結論

在光流控系統中，流體流經(jīng)芯片時(shí)，流體本身和其攜帶的物質(zhì)的折射率會(huì )對光的傳播產(chǎn)生影響。傳統的光學(xué)傳感器同光流控系統相結合時(shí)，流體的折射率變化可以直接對光傳感器產(chǎn)生響應，從而形成高集成度、小型化、低成本的光流控傳感器。在光流控傳感器中，有幾個(gè)典型的結構，即光子晶體諧振腔、WGM模式、光波導及表面等離子體共振。這幾種結構對其周邊的折射率環(huán)境都十分敏感，微小的折射率差異可以導致光響應信號的變化，這一特性使得光流控傳感器對折射率具有很高的敏感度。 

通過(guò)對基于不同結構的光流控傳感器的分析，得出如下結論：（1）將光子晶體諧振腔同光流控系統相結合時(shí)，可以通過(guò)設計芯片結構使得流體通過(guò)光子晶體諧振腔的孔洞，孔洞內的折射率變化會(huì )令光信號的特征波長(cháng)發(fā)生偏移，從而實(shí)現光流控傳感器應用。這種類(lèi)型的傳感器可以用于測量氣體濃度、液體折射率及生化分子的分析檢測。（2）利用WGM腔體的光流控傳感器可以在腔體中產(chǎn)生諧振，具有一個(gè)特征波長(cháng)，并且特征波長(cháng)對腔內環(huán)境十分敏感。由此，利用腔體的光流控傳感器具有很高的靈敏度，同時(shí)僅對特征波長(cháng)的強度和偏移觀(guān)測，即可推斷出相應參數的變化。由于流體是微納粒子和生物分子的天然載體，使得基于腔體的光流控傳感器在測量微小的生化物質(zhì)方面具有得天獨厚的優(yōu)勢。這類(lèi)傳感器在物質(zhì)濃度檢測和生化檢測方面具有廣泛的應用前景。（3）基于光波導的傳感器利用全反射產(chǎn)生的條逝場(chǎng)對物質(zhì)進(jìn)行探測，這種探測方式具有精簡(jiǎn)的結構，同時(shí)還具備高效率和高敏感度的特征，在生化檢測，微小顆粒的分析上具有很大潛力。（4）基于表面等離子體共振的光流控傳感器利用SPR對金屬膜表面300nm范圍內折射率的變化十分敏感。當生物分子通過(guò)這一區域時(shí)，SPR的吸收峰會(huì )發(fā)生偏移，從而實(shí)現對生物分子的分析。這種傳感器無(wú)需對分析物進(jìn)行標記，可以簡(jiǎn)化檢測流程。此外，SPR對折射率的敏感性也令其具有較高的測量靈敏度，使其在快速生化檢測方面具有廣泛的應用潛力。 

在未來(lái)對微小粒子的探測中，尤其是對生物分子的分析和探測，離不開(kāi)液體環(huán)境。光流控傳感器將液體環(huán)境和光探測手段有機結合，在液體環(huán)境生化探測領(lǐng)域發(fā)揮出巨大潛能。隨著(zhù)光流控技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)具有獨特結構的光流控傳感器將具有巨大的開(kāi)發(fā)和應用價(jià)值。