本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于光纖操控單個(gè)微球的濃度傳感器。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的光纖濃度傳感基于微干涉儀或光柵結(jié)構(gòu)；干涉型濃度傳感器基于相位解調(diào)，靈敏度高；光柵型濃度傳感器基于波長解調(diào)，有復(fù)用潛力。但兩者都需要較復(fù)雜的加工過程，導(dǎo)致其成本較高。本發(fā)明提出基于光纖操控單個(gè)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(yīng)，由于光力通常為皮牛量級(jí)，因此有實(shí)現(xiàn)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。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種基于光纖操控單個(gè)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(shí)現(xiàn)該目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種基于光纖操控單個(gè)微球的濃度傳感器，包括微流芯片、單分散微球、微量進(jìn)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(jìn)樣泵注入微流通道中；所述泵浦激光器產(chǎn)生泵浦激光通過單模光纖傳輸、經(jīng)平端面出射，采用帶ccd的顯微鏡實(shí)時(shí)檢測微球與光釬平端面的間距，通過間距檢測實(shí)現(xiàn)濃度傳感。

進(jìn)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(fā)散場，激光出射的方向與微流的流向相對(duì)。

從工作原理上講，如圖2所示，所述泵浦激光器產(chǎn)生泵浦激光通過單模光纖傳輸、經(jīng)平端面出射，同時(shí)提供散射力fs和梯度力ftg，梯度力ftg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(duì)微球的斯托克斯阻力fv與散射力fs達(dá)到平衡，即fv＝fs，則微流被捕獲；當(dāng)泵浦功率、溫度、流速、微球直徑都不變時(shí)，微流濃度變大，液體的粘滯系數(shù)變大，fv變大，光纖端面與被操控微球之間的間距(即操控距離)變??；通過ccd的顯微鏡實(shí)時(shí)檢測操控距離，實(shí)現(xiàn)濃度傳感。

本發(fā)明的有益效果為：

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

2.本發(fā)明濃度傳感器加工過程非常簡單、制備成本極低；

3.本發(fā)明濃度傳感器能夠與微流芯片集成，實(shí)現(xiàn)微流濃度傳感，體積小。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于光纖操控單個(gè)微球的濃度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，

其中，1為微進(jìn)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(jì)算機(jī)，6為泵浦激光器，7為單模光纖，8為單分散微球(實(shí)施例中采用聚苯乙烯微球)。

圖2為本發(fā)明單個(gè)微球在微流通道內(nèi)的受力示意圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中濃度傳感標(biāo)定曲線，泵浦激光功率為100.98mw，流速為120nl/min。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

本實(shí)施例提供一種基于光纖操控單個(gè)微球的濃度傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，本實(shí)施例以測量氯化鈉溶液濃度為例，其中單分散微球采用聚苯乙烯微球；計(jì)算機(jī)與帶ccd的顯微鏡4配套使用，用于實(shí)時(shí)檢測操控距離。其工作具體工程包括以下步驟：

步驟1：打開計(jì)算機(jī)，開啟顯微鏡，在計(jì)算機(jī)上打開顯微鏡的配套軟件，將微流芯片置于顯微鏡的載物臺(tái)上，調(diào)整其位置，設(shè)置曝光時(shí)間、對(duì)比度等，達(dá)到最佳觀測效果；

步驟2：將聚苯乙烯微球加入去離子水中，用50微升的微取樣器抽取適量樣品，打開微進(jìn)樣泵，將微取樣器置于微進(jìn)樣泵的支架上，連接注射端口，將液體注入微流芯片；將平端面光纖插入微流通道，調(diào)節(jié)光纖橫向位置，使其處于通道中央；

步驟3：開啟泵浦激光器，實(shí)現(xiàn)微球捕獲；調(diào)節(jié)光功率和流速，使得微球在顯微視場中處于最大操控距離，此時(shí)的光功率和流速為用于濃度傳感的最佳值；使用980nm泵浦激光器，光功率為100.98mw，注射流速為120nl/min；

步驟4：用去離子水配置各種已知濃度的氯化鈉溶液，通過顯微成像軟件獲取光纖操控單個(gè)微球的圖像，圖像處理得到操控距離。重復(fù)測量不同濃度的溶液，建立操控距離與濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到傳感器標(biāo)定曲線，如圖3所示；

步驟5：將未知濃度的待測樣品注入微流通道，通過測量對(duì)應(yīng)的操控距離，結(jié)合標(biāo)定曲線測得待測樣品的濃度。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，本說明書中所公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換；所公開的所有特征、或所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以任何方式組合。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，提供一種基于光纖操控單個(gè)微球的濃度傳感器，包括微流芯片、單分散微球、微量進(jìn)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(jìn)樣泵注入微流通道中；所述泵浦激光器產(chǎn)生泵浦激光通過單模光纖傳輸、經(jīng)平端面出射，采用帶CCD的顯微鏡實(shí)時(shí)檢測微球與光釬平端面的間距，通過間距檢測實(shí)現(xiàn)濃度傳感。本發(fā)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(shù)研發(fā)人員：龔元;鄒文亮;張晨琳;饒?jiān)平?br/>受保護(hù)的技術(shù)使用者：電子科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.05.17
技術(shù)公布日：2017.08.22