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光微流染料激光及其传感特性研究

光微流染料激光及其传感特性研究

作者：杨宏霞电子科技大学

学位级别：硕士

光微流染料激光器是以液体染料为增益介质,采用微流体技术实现液体进样,结合微腔结构实现的微型液体激光器。其具备微流体的特点,可以在微纳尺度上对光和流体进行操控,从而实现高集成度的光微流器件和系统。染料激光器与微流体技术的整... 详细信息

光微流染料激光器是以液体染料为增益介质,采用微流体技术实现液体进样,结合微腔结构实现的微型液体激光器。其具备微流体的特点,可以在微纳尺度上对光和流体进行操控,从而实现高集成度的光微流器件和系统。染料激光器与微流体技术的整合不仅促进了芯片实验室系统(Lab-on-a-Chip)和微型全分析系统(Micro total anslysis system, μTAS)的发展和完善,而且还可以对激光特性进行动态控制,这是固态光学组件系统无法做到的。随着微加工技术和微流技术的快速发展,制作小体积、低功耗的集成光源成为可能,生化传感应用方面也独具特优势。本文围绕光微流染料激光及其传感特性开展研究工作,实现了基于高重频纳秒脉冲激光泵浦的低成本光微流激光,并验证了微流的流速测量和溶液pH的高精度检测。(1)基于高重频纳秒脉冲激光泵浦的低成本光微流激光。实验中,采用罗丹明R6G染料溶液为增益介质,方形石英毛细管作为微流通道,用镀膜平面镜形成F-P谐振腔提供光反馈增强。系统研究了微流流速对激光淬灭效应的影响,并基于此,实现了流速传感。提出并实现了通过监测光微流激光输出强度随时间的衰减来测量流速。得到测量范围为1-100μL/min,最小可探测流速为1μL/min。该传感器在与微流通道结合方面极具优势,而且在低流速段测量有很大的探测潜力。(2)光微流激光pH (酸碱度)传感。当R6G溶液和氢氧化钠溶液以一定比例混合时,溶液的pH值发生变化,引起染料溶液电离平衡发生移动,导致荧光光谱的包络和强度发生变化。溶液中OH-的加入使得荧光强度减弱,甚至完全淬灭。罗丹明R6G的荧光强度随着pH的增加而减弱。基于此,通过氢氧化钠溶液对荧光的淬灭效应实现pH检测。本实验采用浓度为1mM (毫摩尔每升)的罗丹明无水乙醇溶液,实现了 11-14范围的pH检测。

关键词：光微流染料激光器 pH值传感流速传感器

基于新型有机染料的光微流激光及其爆炸物浓度传感研究

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基于新型有机染料的光微流激光及其爆炸物浓度传感研究

作者：范茂雯电子科技大学

学位级别：硕士

光微流激光器作为光和微流控技术的结合体,集成了发光增益材料、光学谐振器和微流通道,在生化传感方面具有显著优势。将新型有机染料应用于光微流激光,染料分子结构和浓度的微小变化在微腔的放大作用下会对出射激光产生非常大的影响,与... 详细信息

光微流激光器作为光和微流控技术的结合体,集成了发光增益材料、光学谐振器和微流通道,在生化传感方面具有显著优势。将新型有机染料应用于光微流激光,染料分子结构和浓度的微小变化在微腔的放大作用下会对出射激光产生非常大的影响,与传统的荧光传感相比具有明显的优势。由于光微流激光器中的法布里-珀罗谐振结构,微流激光比荧光检测方法更灵敏,而且激光信号具有更窄的线宽和更好的方向性,收集的传感信号光通过空间滤波、光谱选择等方法可以很好地滤除荧光背景的干扰。最主要的,光微流激光的强度比荧光强度高几个数量级,可实现更大的检测范围。本文实现了基于新型有机染料的光微流激光,一方面保留了光微流激光灵敏度高、探测极限低、检测范围宽、样品用量小、成本低等特点和优势,另一方面荧光有机染料具有快速响应,低成本和易于合成等优点,可用于特定的待测物识别与传感。本文围绕基于新型有机染料的光微流染料激光及其传感特性开展工作,主要研究了新型有机染料的微流激光特性和基于新型有机染料的光微流爆炸物传感及其性能优化。具体工作如下:(1)本文首先介绍了基于光微流激光的法布里-珀罗谐振腔的设计和搭建。实验采用外径为1.4mm×1.4mm,内径为1.1mm×1.1mm的方形毛细管,将两根塑料软管连接至方形毛细管两端,缝隙用紫外胶填充并固化,形成微流通道,放入两片反射镜之间通过支架固定构成法布里-珀罗谐振腔。(2)实验中采用新型有机染料的酒精溶液作为增益介质,实现了基于法布里-珀罗谐振腔的光微流染料激光。在532 nm脉冲激光泵浦下,实验得出新型有机染料酒精溶液的最佳发光浓度为0.5mM。接下来,在最佳发光浓度下分别研究了新型有机染料的阈值、光稳定性和光限幅效应。实验证明,新型有机染料具有显著的优越性,为下面的爆炸物传感奠定了基础。(3)当新型有机染料与DNT以一定比例混合会产生淬灭效应,导致荧光强度减弱,经过F-P腔的放大后,相对应的激光强度也会明显减弱。基于这一特性,设计了硝基苯类爆炸物的检测,实现了对DNT的传感。结果显示,基于新型有机染料的光微流激光器可以达到4个数量级的大动态范围和更低的检测下限(10nM)。

关键词：光微流染料激光法布里-珀罗谐振腔新型有机染料爆炸物检测

微流光纤传感器:从功能集成到功能设计(特邀)

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激光与光电子学进展 2024年第1期61卷 81-98页

作者：苑婷婷张晓彤杨兴华苑立波深圳技术大学未来技术学院先进制造与未来工业中心广东深圳518118 哈尔滨工程大学物理与光电工程学院纤维集成光学教育部重点实验室黑龙江哈尔滨150001 桂林电子科技大学光电工程学院光子学研究中心广西桂林541004

随着微流控技术的日趋成熟,将微流控芯片技术和光微流方法在微结构光纤中进行交叉融合,已经逐渐形成了一个新的发展方向。简要综述了这一技术是如何从初期的利用微结构光纤的特殊结构,进行简单的功能集成,拓展到如今基于特殊需求进行光... 详细信息

随着微流控技术的日趋成熟,将微流控芯片技术和光微流方法在微结构光纤中进行交叉融合,已经逐渐形成了一个新的发展方向。简要综述了这一技术是如何从初期的利用微结构光纤的特殊结构,进行简单的功能集成,拓展到如今基于特殊需求进行光纤的功能设计的新阶段,以实现在微结构光纤内部构造微流控感测系统的目的。该方向的发展,不仅促进了光波导与微流物质检测技术相结合,还为实现不同检测原理在微结构光纤内的高灵敏度光纤微流传感器技术开辟了新方法与新途径。

关键词：微流控光微流光纤传感器光微流传感器

微流光纤传感器：从功能集成到功能设计（特邀）

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激光与光电子学进展 2024年第1期 101-118页

作者：苑婷婷张晓彤杨兴华苑立波深圳技术大学未来技术学院先进制造与未来工业中心哈尔滨工程大学物理与光电工程学院纤维集成光学教育部重点实验室桂林电子科技大学光电工程学院光子学研究中心

随着微流控技术的日趋成熟，将微流控芯片技术和光微流方法在微结构光纤中进行交叉融合，已经逐渐形成了一个新的发展方向。简要综述了这一技术是如何从初期的利用微结构光纤的特殊结构，进行简单的功能集成，拓展到如今基于特殊需求进... 详细信息

随着微流控技术的日趋成熟，将微流控芯片技术和光微流方法在微结构光纤中进行交叉融合，已经逐渐形成了一个新的发展方向。简要综述了这一技术是如何从初期的利用微结构光纤的特殊结构，进行简单的功能集成，拓展到如今基于特殊需求进行光纤的功能设计的新阶段，以实现在微结构光纤内部构造微流控感测系统的目的。该方向的发展，不仅促进了光波导与微流物质检测技术相结合，还为实现不同检测原理在微结构光纤内的高灵敏度光纤微流传感器技术开辟了新方法与新途径。

关键词：微流控光微流光纤传感器光微流传感器

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毛细管光纤传感器研究进展

应用科学学报 2017年第4期35卷 523-536页

作者：张小贝肖海王廷云上海大学特种光纤与光接入网重点实验室上海200072 美国克莱姆森大学电子与计算机工程系克莱姆森29634

石英毛细管由于在材料方面与光纤具有天然一致性,被广泛应用于各种结构和功能的光纤传感器中.首先给出光纤和毛细管的模式特性和熔接工艺,在此基础上介绍干涉型毛细管光纤传感器的研究进展,包括法布里-珀罗型、多模干涉型、反谐振型3种... 详细信息

石英毛细管由于在材料方面与光纤具有天然一致性,被广泛应用于各种结构和功能的光纤传感器中.首先给出光纤和毛细管的模式特性和熔接工艺,在此基础上介绍干涉型毛细管光纤传感器的研究进展,包括法布里-珀罗型、多模干涉型、反谐振型3种形式.接着介绍微腔结合的毛细管光纤传感器研究进展,包括多模光纤-微球腔和锥形内壁毛细管微腔.毛细管具有中空结构且其圆柱结构能够支持回音壁模式.最后介绍毛细管光纤传感器的最新研究进展.

关键词：毛细管光纤传感器干涉型光纤传感器微腔光微流

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基于闭环光纤微流操控的流速传感特性研究

基于闭环光纤微流操控的流速传感特性研究

作者：邱黎明电子科技大学

学位级别：硕士

微流芯片广泛应用于药物筛选、化学合成与分析以及生物细胞/大分子等领域的研究和应用中,因其具有高通量的检测能力而显示出了广泛的应用前景。其中,在这些微流芯片的应用中,对微流流速的控制起着至关重要的作用。当然,对于一些需要流... 详细信息

微流芯片广泛应用于药物筛选、化学合成与分析以及生物细胞/大分子等领域的研究和应用中,因其具有高通量的检测能力而显示出了广泛的应用前景。其中,在这些微流芯片的应用中,对微流流速的控制起着至关重要的作用。当然,对于一些需要流速控制的微流芯片应用,通过高精度注射泵的直接控制可以满足需求。然而,考虑到直接使用注射泵的时间延迟和流速偏差问题以及微流通道高度集成的特点,在其它需要更加精确且实时的流速控制应用场合中,一个具有高精度、实时以及便于集成的流速监测装置是急需的。为此,本课题使用了光纤微流操控技术,利用平端面单模光纤在微流环境中对聚苯乙烯微球进行操控,通过分别在开环操控模式下监测微球的操控距离以及闭环模式下监测激光器的输出功率来检测微流的流速。在开环操控模式下,激光器的输出功率不变,微球的操控距离随微流流速的变化而变化;而在闭环操控模式下,通过反馈控制稳定微球的操控距离,即激光器输出功率随微流流速的变化而变化。此外,为了实现满足开环和闭环操控模式的工作环境。在本课题中设计闭环光微流操控平台,其中包含软件和硬件的实现。硬件部分的实现主要是搭建满足闭环光纤微流操控的闭环回路。软件部分实现了闭环操控的整个控制流程,包括显微镜图像的获取,对图像进行处理并识别出微球的位置以及反馈控制、界面交互和信息显示等功能。为了理解光纤微流操控原理以及流速传感原理,本文对光力的作用机理以及在微流流速传感中的应用做了简要的理论分析,证明了基于闭环光纤微流操控的流速传感的可行性。在流速传感实验验证部分,分别在开环模式下和闭环模式下对该流速传感方案的测量动态范围、灵敏度、稳定性和测量的可重复性等特性参数进行了检测。在开环测量模式下,在操控距离为550um时获得了最低10nl/min的流速测量下限;闭环操控模式中,在使用最大输出功率为300 mW的980 nm泵浦激光器的条件下,闭环操控距离为15 um时获得了最高100000nl/min的流速测量上限。结合开环和闭环的操控模式,最终实现了近4个数量级的流速测量动态范围,即测量动态范围为10 nl/min到100000 nl/min。最后,通过对几种基于不同流速传感原理的流速传感器进行比较,证明了本文中提出的流速传感器可以在实现大测量动态范围的同时兼顾测量灵敏度的需要。

关键词：单模光纤光操控光微流闭环控制流速传感

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光纤操控微球及其浓度传感研究

光纤操控微球及其浓度传感研究

作者：邹文亮电子科技大学

学位级别：硕士

光纤操控微粒技术可用于微纳加工工艺中微小颗粒的装配,也可用于生物、医药研究领域中微粒的分选、细胞分离以及微粒精确定位操作等。微流芯片应用中,微流浓度传感对其应用和发展具有十分重要的意义,本文提出了基于平端面单模光纤的单... 详细信息

光纤操控微粒技术可用于微纳加工工艺中微小颗粒的装配,也可用于生物、医药研究领域中微粒的分选、细胞分离以及微粒精确定位操作等。微流芯片应用中,微流浓度传感对其应用和发展具有十分重要的意义,本文提出了基于平端面单模光纤的单根操控探针,并结合光纤操控与微流芯片,实现了高集成度的光纤微流传感器。由于平端面的单模光纤的出射场是发散的,基于该结构,本文提出两种不同原理的操控方法:(1)在狭小的微流通道中利用斯托克斯阻力和光的散射力共同对单个聚苯乙烯微球进行操控,并研究微流的浓度传感特性;(2)结合负光泳力和散射力,对聚苯乙烯微球实现大规模操控,并研究了光功率以及微球尺寸对操控的影响。微粒在流体中运动会受到流体的阻力,微流通道中的阻力可以通过斯托克斯阻力公式描述为:6F(28)pηrv。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与光纤出射激光对微球的散射力F达到平衡,即F=F。微流浓度增加,粘滞系数随之增大,光纤端面与被操控微球之间的距离变小。本文提出通过测量微球与光纤之间的距离实现微流浓度传感。实验采用980nm激光提供散射力,被操控微球的直径为7μm,在340 mM至510mM范围内,灵敏度可达7.1μm/mM。更重要的是,通过调整激光功率和微流流速,其灵敏度和动态范围均可进行调节,从而适应更为广泛的应用环境。另一方面,与传统光操控不同的是,负光泳操控范围广,可以对大量的聚苯乙烯微球同时进行操控。使用1550nm激光进行操控时,可以在实验中观察到负光泳现象,通过增大光功率,可加快聚苯乙烯微球的汇聚速度。另外,根据不同尺寸的微球在相同光场的负光泳力作用下运动时的速度不同,可以将液体中粒径不同的聚苯乙烯微球进行分离。

关键词：光纤操控微球光微流浓度传感

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单孔光纤微环激光浓度传感及阵列研究

单孔光纤微环激光浓度传感及阵列研究

作者：徐永电子科技大学

学位级别：硕士

光微流激光集成了微流、光学微腔、激光增益介质,在生化传感方面有显著优势,包括高灵敏度、低探测极限和较宽的检测范围等。光微流激光通过微腔的放大机制可以区别出生物分子结构和浓度的微小变化,甚至可以探测单层蛋白质分子。一次性... 详细信息

光微流激光集成了微流、光学微腔、激光增益介质,在生化传感方面有显著优势,包括高灵敏度、低探测极限和较宽的检测范围等。光微流激光通过微腔的放大机制可以区别出生物分子结构和浓度的微小变化,甚至可以探测单层蛋白质分子。一次性传感器由于其固有的安全性、易用性和低成本广泛应用在生物诊断领域。由于无法低成本大量制备几何结构和光学品质具有高重复性的光学微腔,因此之前的光微流激光难以实现一次性传感器。本文实现了基于单孔光纤结构的微流激光,不仅保留了光微流激光的优势和特点,而且基于光纤同时实现光学微腔和微流通道,使之具有成本低、样品用量小、便于集成、可实时检测等优点。此外,由于单孔光纤几何结构的高重复性和对称性,光纤微流激光可用于一次性传感和阵列传感。本文主要研究了基于单孔光纤微环的微流激光特性、浓度传感及阵列应用,具体工作如下:(1)本文首先通过有限元分析(Finite element analysis,FEA)仿真了不同结构参数单孔光纤的横向光场分布。对于厚壁单孔光纤(数十到数百微米壁厚),只有填充高折射率溶液才会出现激光;在薄壁(4μm及以下)结构中,高折射率溶液和低折射溶液都会形成微环谐振模式从而产生激光。仿真结果表明,壁厚为8μm的单孔光纤,纤内液体折射率高于或低于石英,均可产生谐振。(2)实验中采用外径为132μm、壁厚为8μm的单孔石英光纤,通入2 mM的罗丹明(R6G)喹啉溶液(n=1.63),在532 nm脉冲激光泵浦下,得到0.9μJ/mm低阈值激光输出。由于单孔光纤的空间对称性,实验证实该光纤微流激光角向输出重复性高(标准偏差仅为0.6%)。在同一泵浦条件下分别采集了十根不同单孔光纤的光谱,结果显示,单孔光纤微环激光输出具有高重复性(标准偏差为7.4%)。高重复性、无角度相关性的激光输出为一次性传感及阵列应用奠定了基础。(3)通过成像技术记录阵列化单孔光纤微环激光的输出图像,可同步处理和监测微流激光阵列的输出。相比于光谱仪,相机极大的降低了成本,可同时收集和分辨多个微流通道的信号。通过成像技术对实验中采集的照片进行处理,得出了阵列化中十根单孔光纤微流激光的阈值(0.8μJ/mm),多通道输出保持了高度一致性(标准偏差为3.9%)。最后,通过单孔光纤微环激光阵列进行了浓度传感,检测范围为0.125 mM-4 mM。

关键词：光微流回音壁模式微流激光单孔光纤浓度传感阵列

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微流体通道循环肿瘤细胞检定系统研究

中国计量学院学报 2014年第4期25卷 337-343页

作者：郭劲宏新加坡南洋理工大学化学与生物医学工程学院新加坡637459

提出在微流体框架上搭建电阻抗型循环肿瘤细胞检测计数和引入光学元件搭建病变循环肿瘤细胞检测的双重荧光激发传感器系统.前者提出了两种不同结构,在直流电路型中得到细胞体积越大峰值电压越高,并且两者有很好的线性关系,相关系数可以... 详细信息

提出在微流体框架上搭建电阻抗型循环肿瘤细胞检测计数和引入光学元件搭建病变循环肿瘤细胞检测的双重荧光激发传感器系统.前者提出了两种不同结构,在直流电路型中得到细胞体积越大峰值电压越高,并且两者有很好的线性关系,相关系数可以达到0.998,也可以得到细胞体积越大,细胞移位时间越长;在交流电路型中,创新性提出印刷电路板和聚二甲基硅氧烷结合作为衬底的思想,并和商用流式细胞仪的测量结果进行了对比,验证了这种结构的可行性.后者用特定病变肿瘤被荧光标记物标记后,受激光激发出的荧光颜色不同而可以被有效地区分开,并拿商用流式细胞仪结论进行对比,结果吻合.两种传感器都用COMSOL软件进行了理论模拟,便于确定结构参数的同时也能与实验结果对比从而优化结论.

关键词：微流体电阻抗光微流双重荧光循环肿瘤细胞