[发明专利]一种基于光纤操控单个微球的浓度传感器

说明书

本发明属于传感器技术领域，提供一种基于光纤操控单个微球的浓度传感器，包括微流芯片、单分散微球、微量进样泵、微取样器、单模光纤、泵浦激光器及带CCD的显微镜，其特征在于：所述微流芯片中集成微流通道，单模光纤的一端为平端面，平端面置于微流通道中、且与微流通道共轴，单模光纤另一端连接泵浦激光器；所述单分散微球加入待测溶液中，微取样器抽取待测溶液，通过微量进样泵注入微流通道中；所述泵浦激光器产生泵浦激光通过单模光纤传输、经平端面出射，采用带CCD的显微镜实时检测微球与光钎平端面的间距，通过间距检测实现浓度传感。本发明浓度传感器灵敏度高，且加工过程简单、制备成本低、易与微流芯片集成。

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种基于光纤操控单个微球的浓度传感器。

背景技术

传统的光纤浓度传感基于微干涉仪或光栅结构；干涉型浓度传感器基于相位解调，灵敏度高；光栅型浓度传感器基于波长解调，有复用潜力。但两者都需要较复杂的加工过程，导致其成本较高。本发明提出基于光纤操控单个微球的浓度传感器，加工方法简单，只需切割单模光纤即可得到；光纤操控基于光力效应，由于光力通常为皮牛量级，因此有实现高灵敏度传感的潜力；该传感器能够感知溶液浓度变化引起的微弱斯托克斯阻力的变化，是一种非接触式的传感方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种基于光纤操控单个微球的浓度传感器，该浓度传感器灵敏度高，且加工过程简单、制备成本低、易与微流芯片集成。为实现该目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于光纤操控单个微球的浓度传感器，包括微流芯片、单分散微球、微量进样泵、微取样器、单模光纤、泵浦激光器及带CCD的显微镜，其特征在于：所述微流芯片中集成微流通道，单模光纤的一端为平端面，平端面置于微流通道中、且与微流通道共轴，单模光纤另一端连接泵浦激光器；所述单分散微球加入待测溶液中，微取样器抽取待测溶液，通过微量进样泵注入微流通道中；所述泵浦激光器产生泵浦激光通过单模光纤传输、经平端面出射，采用带CCD的显微镜实时检测微球与光钎平端面的间距，通过间距检测实现浓度传感。

进一步的，所述单分散微球的直径为5～10μm。

所述单模光纤的平端面的出射场为发散场，激光出射的方向与微流的流向相对。

从工作原理上讲，如图2所示，所述泵浦激光器产生泵浦激光通过单模光纤传输、经平端面出射，同时提供散射力F_s和梯度力F_tg，梯度力F_tg将微球束缚在光轴上、散射力沿着光的出射方向，通过控制微流的流速和光功率，使得微流对微球的斯托克斯阻力F_v与散射力F_s达到平衡，即F_v＝F_s，则微流被捕获；当泵浦功率、温度、流速、微球直径都不变时，微流浓度变大，液体的粘滞系数变大，F_v变大，光纤端面与被操控微球之间的间距(即操控距离)变小；通过CCD的显微镜实时检测操控距离，实现浓度传感。

本发明的有益效果为：

1.光操控力为皮牛量级，与之平衡的微流斯托克斯阻力极小；斯托克斯阻力与浓度成正比，因此，本发明浓度传感器具有较高灵敏度；

2.本发明浓度传感器加工过程非常简单、制备成本极低；

3.本发明浓度传感器能够与微流芯片集成，实现微流浓度传感，体积小。

附图说明

图1为本发明基于光纤操控单个微球的浓度传感器结构示意图，

其中，1为微进样泵，2为微取样器，3为微流芯片，4为带CCD的显微镜，5为计算机，6为泵浦激光器，7为单模光纤，8为单分散微球(实施例中采用聚苯乙烯微球)。

图2为本发明单个微球在微流通道内的受力示意图。