基于光纤微结构衰荡系统的微流体多组分在线监测技术

A micro-fiber cavity ringdwon sensor (MFCRDS) system is proposed for online monitoring multi-components in microfluidics. The many fiber Bragg gratings with different Bragg wavelengths, which is designed to match the absorption spectrum of multi-components, are used as wavelengths selection components. When a wavelength-swept fiber laser is injected to m-element fiber Bragg grating array, one component can be distinguished based on the time sequence reflected from every fiber Bragg grating. And then, by measuring ringdown time in MFCRDS, the loss of fiber ring induced by absorption of measured component can be obtained, namely the concentration of one component can be monitored. By this method, an in-situ technology for monitoring trace multi-component can be realized. To achieve low loss for optical signal input and output coupling in MFCRDS and fabricate microfluidics sensor cavity, an integrated sensor construct with coupling signal light and microfluidics sensing is proposed. Meanwhile, an algorithm based on back-propagation neural network aims to solve spectra overlap of many components. It will improve detection precision. The proposed method provides a fiber detection technology for multicomponent in microfluidics, This technique will detect the amount of component from one-component extended to multicomponent, it greatly promoting the application range of fiber microfluidics sensor.

光纤衰荡腔传感技术是一种新兴的微流体检测技术。目前，光纤衰荡腔只能够检测一种微流体组分。我们提出一种基于光纤微结构衰荡腔的微流体多组分在线监测技术。制作与待测多组分的特征谱匹配的多个光纤光栅阵列。将扫描激光器的光射入光栅阵列，根据不同光栅的光反射时间不同，来区分不同组分的衰荡信号。利用微衰荡腔传感器，根据特征频谱衰荡时间确定微流体中待测组分的含量，来实现微流体不同组分在线监测。提出耦合-微流体腔一体式传感器结构，避免了光耦合和传感二次光接口损耗，降低光衰荡信号损耗。利用集成在光纤上的单斜微反射镜，解决了光信号输入耦合效率低的问题。研究光信号在光纤微腔中的传输规律，减少包层模影响，提高衰荡系统稳定性。同时，研究不同组分谱线的倍频、合频特征信息，建立相应的数学模型，解决多组分谱线重叠问题，提高检测精度。该方案将光纤衰荡检测技术从检测一种组分拓展到多种组分，极大提高了该技术的应用范围。

在生物、化学领域，经常需要在线监测液体混合物中的微量成分含量，常规检测方法主要通过提取一定量的液体然后进行离线监测，时间长、液体提取量大，给实际应用带来很多不便。在生物药品研发、细胞及分子生物实验和化学合成与分析等领域，都需要一种具有多组分同时测量的微流体检测技术来推动相关技术的发展和进步。在基金的支持下，经过四年的努力，课题组完成了基于光纤微结构衰荡系统的微流体多组分在线监测技术研究，并在光纤传感器阵列与微流控薄膜材料等方面进行了扩展研究。利用飞秒激光器在光纤上制作直槽型微腔作为微流体监测腔体，结合光衰荡传感技术，实现对微流体组分含量的监测。研究飞秒激光器加工光纤的物理机理，分析光脉冲与光纤非线性作用、电离等对加工精度的影响，增加传感器的稳定性。在光纤上制作单斜微反射镜，通过微纳光纤将光入射到为反射镜端面，实现高效率光信号输入耦合。根据不同组分的特征吸收谱，匹配不同特征反射谱的光纤光栅，通过光衰荡腔的传导机理，最终实现液体不同组分浓度同时监测。研究不同组分的倍频、合频特征吸收谱线，观察不同组分多谱线衰减规律，建立数学模型，解决多组分谱带的重叠问题，实现超小型微流体多组分含量实时监测。通过项目资助，课题组在国内外重要刊物Nature Communication、Nanophotnics、Optics Letters、Journal of Lightwave letters、Optics express等杂志发表论文26 篇，其中SCI 检索15 篇（标注基金资助11篇），EI检索8篇，中文期刊3篇。获得授权发明专利5项，申请发明专利7项（国防发明专利6项）。项目执行期间，申请人还获得了黑龙江省杰出青年基金资助，龙江学者称号。2020年4月获得科技部中青年创新领军人才。获得了黑龙江省技术发明二等奖、黑龙江省青年科技奖等4项。基于以上讨论，项目组已圆满完成了基金的预计任务。