光流控學(xué)是一門綜合了微流控學(xué)和光子學(xué)優(yōu)勢的新興交叉學(xué)科。傳統(tǒng)的微流控僅控制流體，而光流控除此之外同時對光進(jìn)行控制，具有更高的操縱維度。光流控將微流和光學(xué)器件有機(jī)結(jié)合，兩個部分互相影響，促生出非常強(qiáng)大的功能。因此，光流控學(xué)一經(jīng)提出，便獲得廣泛關(guān)注，領(lǐng)域研究活躍，發(fā)展迅速。流體是光流控系統(tǒng)中的重要載體，可以攜帶運(yùn)輸各種微納尺度級的物質(zhì)通過光流控系統(tǒng)。光同流體及流體攜帶物質(zhì)的相互作用，產(chǎn)生特定的光信號響應(yīng)，基于此可以實(shí)現(xiàn)快速高效的檢測。光流控芯片可以將傳統(tǒng)檢測學(xué)中復(fù)雜的化驗過程縮小為1cm量級，從而實(shí)現(xiàn)檢測的小型化。同時，其核心是利用光學(xué)結(jié)構(gòu)對折射率的敏感度進(jìn)行檢測，具有較高的敏感度和**度。這些特性使得光流控傳感器廣泛應(yīng)用于環(huán)境檢測及生化傳感領(lǐng)域。
利用光流控技術(shù)，通過流體對光的控制，可以實(shí)現(xiàn)很多諸如塔爾博特、離散衍射等經(jīng)典的光學(xué)現(xiàn)象，以及光學(xué)隱身衣、光學(xué)轉(zhuǎn)角器、光束分離器、光流控開關(guān)、光流控波導(dǎo)、光流控光纖等應(yīng)用。此外，通過光及光學(xué)系統(tǒng)對流體的控制，可以實(shí)現(xiàn)如粒子分離、光鑷、光微流閥、光微流泵等應(yīng)用。通過光流控實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用可以看出，在光流控系統(tǒng)中，折射率的變化可以對光的傳播產(chǎn)生很大的影響。而利用這一特性，可以將光流控系統(tǒng)利用到物質(zhì)探測和生化傳感領(lǐng)域，制成光流控傳感器。光流控芯片的尺寸量級為厘米量級，而其中的溝道寬度通常只有幾百微米，這意味著，僅用很少的樣品量，便可以在光流控傳感器中實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的分析和檢測。另外，在光流控芯片中加入特定的光學(xué)結(jié)構(gòu)后，可以令光產(chǎn)生諧振效應(yīng)。此時光對系統(tǒng)中折射率的細(xì)微變化可以產(chǎn)生較大的響應(yīng)，如特征波長的偏移，這使得光流控傳感器具有很高的敏感度和**度。光流控芯片采用軟刻蝕工藝，使芯片具有較低的成本。此外，流體是各種微納尺度粒子（包括化學(xué)大分子及生物分子）的天然載體，這些粒子可以隨著流體直接流入光流控傳感器中被分析和檢測，一些傳統(tǒng)檢測中的復(fù)雜過程可以由一個光流控系統(tǒng)直接完成。這些特征使得光流控傳感器具備高集成度、低成本的優(yōu)勢，同時其探測的敏感度強(qiáng)、**度高，在物質(zhì)檢測和生化分析方面擁有巨大的潛力。
本文從光流控傳感器的結(jié)構(gòu)和原理入手，介紹不同類型的光流控傳感器，同時闡述其特性及相應(yīng)的應(yīng)用。
基于光子晶體諧振腔的光流控傳感器
在生化傳感器領(lǐng)域中，高敏感性、低成本、高**度的傳感器一直是其領(lǐng)域內(nèi)的追求。光子晶體諧振腔具有小巧而緊湊的結(jié)構(gòu)特征，對光具有高度敏感性，使其適用于生化傳感領(lǐng)域。光子晶體諧振腔具有較高的集成度，與光流控系統(tǒng)相結(jié)合時，其腔內(nèi)的折射率由通過的流體決定。當(dāng)流體發(fā)生變化，或者流體中攜帶的物質(zhì)發(fā)生變化時，其腔內(nèi)的折射率會發(fā)生相應(yīng)改變，從而導(dǎo)致諧振狀態(tài)的變化。這種變化對折射率十分敏感，因此基于光子晶體諧振腔的光流控傳感器（圖1）被廣泛地應(yīng)用于氣體濃度測量、液體濃度測量和生化物質(zhì)濃度的測量中。
圖1 基于光子晶體諧振腔的光流控傳感器應(yīng)用
光子晶體諧振腔的基本原理
光子晶體諧振腔通常是在高折射率的電介質(zhì)材料上制造出的周期性孔洞結(jié)構(gòu)。光在這樣的結(jié)構(gòu)中傳播時，會發(fā)生復(fù)雜的折射和反射。產(chǎn)生的折射光和反射光經(jīng)過一系列干涉作用后，導(dǎo)致只有特定波長的光才能通過該結(jié)構(gòu)，形成光子帶隙。此時，一個腔內(nèi)折射率的微小擾動即可使光子晶體諧振腔的帶隙發(fā)生偏移。偏移頻率的表達(dá)式可以根據(jù)電磁微擾理論得出，具體為
其中，ω和Δω分別表示頻率及其偏移量；ε和Δε分別表示介電常數(shù)及其偏移量；n和Δn分別表示折射率及其偏移量；f為[0,1]之間的參數(shù)，表示在微擾區(qū)域電場能量的填充度。
式（1）可以看出，折射率的變化會直接影響光子晶體諧振腔的光子帶隙，利用折射率變化對帶隙偏移產(chǎn)生的影響，可以制造出基于光子晶體諧振腔的傳感器。
光子晶體諧振腔在光流控傳感器的具體應(yīng)用
在光子晶體中，其諧振腔實(shí)際上就是在高折射率物質(zhì)，如硅板上刻蝕出的規(guī)則孔洞，在孔洞中，流體可以隨意傳播。利用這一特性，通過與光流控技術(shù)的結(jié)合，可以制成檢測氣體或液體濃度的傳感器。在一些具有有害氣體的工作環(huán)境中，如礦井，隨時監(jiān)測有害氣體的濃度是十分必要的。不同氣體的折射率具有微小差異，而光子晶體對折射率的高度敏感性可以使其分辨出不同的氣體。對于光流控技術(shù)下的光子晶體傳感器，氣體是實(shí)時流動于光流控芯片中的，因此，可以實(shí)現(xiàn)對氣體濃度的實(shí)時檢測。
Sünner等將光子晶體的**行孔洞嵌入到光流控波導(dǎo)中，實(shí)現(xiàn)了可以辨別真空、氮?dú)夂土驓怏w的光流控傳感器。當(dāng)折射率改變尺度為10-4時，對于 1.5μm的入射光，可以令其特征波長偏移8pm，即單位折射率的敏感度為80nm。在這一基礎(chǔ)上，Zhang等對其做了改進(jìn)，使得可探測的折射率變化達(dá)到10-5，特征波長的偏移為51nm。這種將邊緣孔洞集成到光流控波導(dǎo)中的方式對集成時的**度要求較高，使得其在制備過程中存在較大的困難。Li等將光子晶體孔洞的中間列打通為一個矩形孔洞，然后將其集成到光流控波導(dǎo)中。這種集成方式對**度的要求較低，可以實(shí)現(xiàn)折射率變化為10-4量級的探測，單位折射率變化引起的波長偏移為421nm。以上結(jié)構(gòu)下的氣體光流控傳感器雖然可以分辨出不同的氣體，但是無法針對特定的氣體種類進(jìn)行濃度測量。Zhang等利用穴番E分子浸潤光子晶體孔洞，實(shí)現(xiàn)了針對甲烷氣體的光流控傳感器（圖1（a）、圖1（b）），測量的敏感度可以達(dá)到167.348nm，測量的精度可以達(dá)到6.9735×10-4。然而，同傳統(tǒng)的氣體傳感器相比，基于光子晶體諧振腔的光流控氣體傳感器的敏感度和測量精度仍然相對偏低。
相對于氣體，液體之間的折射率差異更大，當(dāng)液體通入光子晶體的孔洞時，對其帶隙偏移影響更大。一些研究者通過對光子晶體的加工，制成不同的光子晶體結(jié)構(gòu)，然后將其集成至光流控芯片內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了對液體折射率的測量。如將光子晶體的部分孔洞直接集成至光流控芯片中，抹除環(huán)形區(qū)域（或半環(huán)形）的孔洞，抹除一列光子晶體孔洞，抹除特定單個光子晶體孔洞等結(jié)構(gòu)。而另一些研究者則通過采用光子晶體光纖的方式來實(shí)現(xiàn)對液體折射率的測量。Domachuk等將一個法布里-珀羅（F-P）腔置于兩根準(zhǔn)直的布拉格光纖之間，令液體通過F-P腔進(jìn)行測量，如圖1（c）、圖1（d）所示。相應(yīng)地，同為一維光子晶體光纖的長周期光纖光柵亦可應(yīng)用于其中。利用光子晶體光纖的情況下，若想較好地提高敏感度和**度，令液體樣品直接流過光子晶體光纖的孔洞是十分重要的。Wu等利用一種C型光纖結(jié)構(gòu)，令其分別置于光子晶體光纖兩側(cè)，作為液體的入口和出口。光子晶體光纖除了中心兩個孔洞外，其余均被堵住。此結(jié)構(gòu)具有很高的能量密度，可使敏感度提高70%。類似地，Zhang等將光纖兩側(cè)的邊緣剝離一部分后，用聚二甲基硅氧烷（PDMS）封住，封住的兩側(cè)打孔可以作為液體的入口和出口，此時液體在光子晶體光纖內(nèi)將在被剝離的部分流動。這種方式可以令液體對腔內(nèi)折射率產(chǎn)生充分的影響，進(jìn)而制成高敏感度的液體折射率光流控傳感器。
利用回音壁模式的光流控傳感器
當(dāng)微球型結(jié)構(gòu)置于折射率相對較低的環(huán)境中時，在微腔內(nèi)，大于臨界角的光將會在微腔表面不斷發(fā)生全反射，使光被束縛在微球表面。在不斷沿著微腔表面?zhèn)鞑r，若光滿足一定干涉條件，就可以相互疊加增強(qiáng)，形成回音壁（WGM）模式。外界環(huán)境對微腔折射率的影響會導(dǎo)致微腔的模式發(fā)生改變，基于這一原理可制作基于WGM模式的傳感器。在光流控系統(tǒng)中，可在直接制作微球結(jié)構(gòu)中通入液體，通過液體產(chǎn)生的光響應(yīng)變化，檢測液體攜帶的生化物質(zhì)。此外，微球型的結(jié)構(gòu)還可以通過液體直接攜帶產(chǎn)生，也可以通過兩相流產(chǎn)生微液滴的方式產(chǎn)生。相比純固體結(jié)構(gòu)需要微納加工技術(shù)，在光流控系統(tǒng)中，微球的產(chǎn)生更加方便快捷。
WGM模式的基本原理
當(dāng)一個WGM結(jié)構(gòu)的壁尺寸很薄時，WGM將對壁內(nèi)物質(zhì)的折射率十分敏感，其特征波長同內(nèi)部的折射率可以表達(dá)為
其中，λ為WGM的特征波長；r為WGM的半徑；neff為腔體內(nèi)部的等效折射率， m為WGM角動量的整數(shù)。
基于WGM模式的光流控傳感器應(yīng)用
從式（2）可以看出，內(nèi)部折射率的微小改變將會對WGM的特征波長造成影響。基于這一原理，一系列設(shè)計精巧的WGM模式光流控傳感器被設(shè)計出來。Li等利用兩個回音壁互相耦合的模式，通過在其中一個回音壁中通入液體，實(shí)現(xiàn)了對牛血清蛋白（BSA）的檢測（圖2（a））。當(dāng)攜帶生物分子的液體通過下方的回音壁時，其內(nèi)部環(huán)境發(fā)生了相應(yīng)變化，從而導(dǎo)致輸出光的變化。Luo等和Scholten等利用薄壁毛細(xì)管形成回音壁實(shí)現(xiàn)了對有機(jī)物的測量。對于純固體的回音壁傳感器，生物分子由于尺寸小、重量輕、缺少運(yùn)輸煤質(zhì)等原因，很難使固體回音壁的模式發(fā)生改變。而通過與光流控技術(shù)相結(jié)合，液體的引入為回音壁模式對生物分子的探測提供了條件。同時，WGM對其腔內(nèi)折射率變化敏感度極高，這一特性為WGM對生物分子檢測的**度提供了保證。這種通過液體穿過WGM內(nèi)部實(shí)現(xiàn)等效折射率調(diào)控的光流控傳感器，在微觀粒子和生化檢測方面已取得豐富的研究成果。具體應(yīng)用包括對體溶液折射率的檢測、DNA分子檢測（圖2（b））、病毒顆粒檢測（圖2（c））、對單個納米顆粒檢測、農(nóng)藥檢測、醇類蒸汽的檢測、淋 巴細(xì)胞檢測等。
除了直接利用固體通過微納加工技術(shù)制作WGM，然后嵌入到光流控系統(tǒng)中，光流控傳感器還可以通過產(chǎn)生液滴（droplet）的方式直接在芯片內(nèi)部產(chǎn)生WGM。這種方式可以省略微納加工過程，將制作流程簡化，同時芯片尺寸也會相應(yīng)減小。Lee等利用硅油液體、羅丹明6G染料和LDS722染料通過光流控系統(tǒng)產(chǎn)生內(nèi)部溶液為兩種染料混合物的droplet，這種droplet具備球形結(jié)構(gòu)及WGM的特性。由于WGM腔內(nèi)的液體為染料，通過控制染料的性質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)對染料攜帶的物質(zhì)性質(zhì)進(jìn)行檢測，在生化傳感方面具有很大潛力。
圖2 基于WGM模式的生化探測光流控傳感器