基于光波導的光流控傳感器

傳統(tǒng)的光波導用于折射率檢測時，光在固體波導中傳播，傳播過程中產生的條逝場會與被檢測物發(fā)生相互作用進而產生相移或強度變化。由于條逝場的趨膚深度相對較小，在固體條件下，被檢測物質很難同條逝場進行很強的作用。而液體波導的引入可以增大被檢測物質同條逝場的相互作用，實現(xiàn)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。Campopiano等率先利用多模液體ARROW實現(xiàn)了光學體折射率傳感器。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，透射光譜的位移將會發(fā)生改變，從而實現(xiàn)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現(xiàn)水中特定蛋白質的檢測。此外，多模液體反諧振反射型波導還可用于實現(xiàn)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具有一個很大的核心區(qū)域，大量樣品會產生較強的背景信號干擾，使其敏感度降低。隨著光流控加工技術的進步，實現(xiàn)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級別的核心容積實現(xiàn)了對染料分子的熒光檢測，其檢測的限度可以達到490個分子量級。通過改變芯片的結構設計，利用ARROW還可實現(xiàn)多種功能的光流控傳感器。例如利用多模干涉實現(xiàn)波分復用器對單個病毒進行探測，馬赫-曾德爾干涉儀等（圖3）。

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

其中，D為流體間的擴散系數(shù)；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，其物質的量濃度和折射率之間存在一一對應的關系，因此其形成的濃度場可以進一步引申為折射率場。由式（3）可以看出，*終形成的場的分布主要與流速和擴散系數(shù)有關，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(shù)（Pe）是一個無量綱的系數(shù)，其大小由對流擴散系數(shù)，流速和芯片的特征尺寸決定。通過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，分布將由對流項主導，此時會在溝道內形成階躍式的折射率分布。Liang等通過調節(jié)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，可以發(fā)生全反射，利用全反射產生的倏逝場實現(xiàn)了對微納顆粒的探測和計數(shù)。在該應用中，液體被分為3股分別注入到芯片中，通過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(shù)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(shù)為6mPa·s）。光的入射角度為85°，入射角度同流體的折射率進行了相應匹配，可以使光在界面上恰好發(fā)生全反射，形成倏逝場，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，通過夾流存在于厚度為1μm的全反射界面。當粒子通過倏逝場產生的區(qū)域時，被明顯地照亮，實現(xiàn)探測和計數(shù)的功能。此外，利用階躍折射率的光流控系統(tǒng)還可實現(xiàn)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，其電磁干擾會導致金屬表面產生等離子波，倘若入射光和表面等離子波的傳播常數(shù)相匹配，金屬膜內的電子將會產生共振，使得反射光強度大幅減弱，從而形成一個吸收峰，這就是表面等離子共振（SPR）現(xiàn)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，可以實現(xiàn)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(tǒng)中，對液體或液體攜帶的物質進行分析和檢測，實現(xiàn)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通入溝道中，在金膜表面進行相互作用，實現(xiàn)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現(xiàn)了對生物樣品的分析檢測，其中，金納米孔陣列還可產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(tǒng)中，流體流經芯片時，流體本身和其攜帶的物質的折射率會對光的傳播產生影響。傳統(tǒng)的光學傳感器同光流控系統(tǒng)相結合時，流體的折射率變化可以直接對光傳感器產生響應，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(tǒng)相結合時，可以通過設計芯片結構使得流體通過光子晶體諧振腔的孔洞，孔洞內的折射率變化會令光信號的特征波長發(fā)生偏移，從而實現(xiàn)光流控傳感器應用。這種類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生諧振，具有一個特征波長，并且特征波長對腔內環(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，同時僅對特征波長的強度和偏移觀測，即可推斷出相應參數(shù)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方面具有得天獨厚的優(yōu)勢。這類傳感器在物質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生的條逝場對物質進行探測，這種探測方式具有精簡的結構，同時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。當生物分子通過這一區(qū)域時，SPR的吸收峰會發(fā)生偏移，從而實現(xiàn)對生物分子的分析。這種傳感器無需對分析物進行標記，可以簡化檢測流程。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)境生化探測領域發(fā)揮出巨大潛能。隨著光流控技術的發(fā)展，未來具有獨特結構的光流控傳感器將具有巨大的開發(fā)和應用價值。