[发明专利]法布里帕罗微腔传感芯片及其制备方法和分子检测系统

说明书

本发明属于光学传感器技术领域，具体为一种用于气体分子、生物分子检测的法布里帕罗微腔传感芯片及其制备方法和检测系统。本发明传感芯片包括制备有微泡的毛细石英管以及微泡表面镀覆的高反射率薄膜；微泡为中空结构；微泡表面的反射膜及微泡液芯区域形成法布里帕罗微腔。本发明基于微泡的透镜效应，克服了传统法布里帕罗谐振腔对平面反射镜之间高平行度的要求，减小了腔内谐振模式的体积，增加了腔内的光能量密度，使光与物质之间的相互作用增强；结合气体分子、生物分子对特定波段的光吸收特性以及比尔朗伯定律，实现对于超低浓度化学气体分子或生物分子的高灵敏度以及微量、痕量分析物检测。传感芯片结构简单，制备方便，且重复利用率高。

技术领域

本发明属于光学传感器技术领域，具体涉及用于化学气体分子、生物分子检测的法布里帕罗微腔传感芯片及其制备方法和分子检测系统。

背景技术

近年来，气体的检测技术对于环境污染物监测、人体疾病以及呼吸诊断等方面具有极大的应用前景。常见的气体测量方法有气相色谱法、电化学法、化学发光法以及吸收光谱法。相比于前三者，吸收光谱法具有测量范围宽、相应时间快、特异性强、高灵敏度以及小型化等优点，成为了一种理想的化学气体监测技术。其中基于吸收光谱法的法布里帕罗谐振腔，由于腔自身导致的极高品质因子，导致腔内传输光的有效光程增加，因而光与物质充分相互作用，导致在特定波段的气体分子光吸收增强。通常构成法布里帕罗腔的腔镜反射率越高，传感器越灵敏，对低浓度气体分子的检测能力越强。

常规的法布里帕罗谐振腔(Fabry-Pérot resonator,FP)由两块保持高度平行的反射镜组成，其中入射光满足腔的谐振条件时，可以在腔内形成稳定的驻波场分布。理论上，反射镜的反射率越高，光在腔内被反射的次数越多，导致光与具有吸收的化学气体分子或生物分子相互作用越强，传感的分辨率越高。然而，在实际制备法布里帕罗谐振腔传感器时，由于腔镜无法保证高度平行，光在腔内传输的同时引入多次反射损耗，导致微腔的品质因子急剧下降。此外，由于缺乏横向模式约束，腔内谐振光场的模式体积增大，导致光能量密度减小，即光与物质作用强度下降。以上问题都限制了法布里帕罗微腔对于超低浓度的化学气体分子的检测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以实现超低浓度化学气体分子、生物分子检测的法布里帕罗微腔传感芯片及其制备方法，此外还提供基于该法布里帕罗微腔传感芯片的气体分子、生物分子检测系统。

本发明提供的用于气体分子、生物分子检测的法布里帕罗微腔传感芯片，其结构如图1所示；包括：一根制备有微泡的毛细石英管以及微泡表面镀覆的高反射率薄膜；其中，微泡为中空结构；微泡表面的反射膜及微泡液芯区域形成法布里帕罗微腔；毛细石英管两端开口，一端通过特氟龙管与微流控系统连接，另一端通过特氟龙管与待测分析物(化学气体分子、生物分子)连接。

本发明中，所述高反射率薄膜的反射率为98-100％。

本发明中，所述高反射率薄膜为金属膜，如在微泡表面镀制40-60nm厚的金膜、银膜等，从而使得微泡表面的反射率范围为98-100％；或为多层高低折射率周期性交叉排列的介质薄膜，如在微泡表面依次沉积11-31层高低折射率的材料，从而使得微泡表面的反射率范围为 98-100％。

本发明中，所述高反射率薄膜的反射波段从近紫外光到中红外光。

本发明中，所述石英管的直径为100-1000μm。

本发明中，所述石英微泡的直径为200-1100μm，壁厚为5-15μm，微泡的形状为扁椭球状。

本发明中，微泡的数量可为一个或者多个，如1-5个。

本发明中，所述石英管的材料优选为二氧化硅。

本发明提供的法布里帕罗微腔传感芯片可用于化学气体分子、生物分子检测。在进行检测时，根据检测对象对光的吸收特性，结合比尔朗伯定律实现基于光学手段、实时快速检测化学气体分子、生物分子的浓度及种类。