專利名稱：一種微量液體折射率的測量系統及測量方法
技術領域：
本發明涉及液體折射率的測量技術，更具體地說是涉及一種微量液體折射率的測量系統及測量方法。
背景技術：
折射率是液體在工農業生產和科學研究中一項重要的計量參數，它是保證產品質 量和提高產品產量的重要技術手段。對液體折射率的測量與控制在環境監測、食品質量、制藥、疾病診斷等行業中有著廣泛的應用。折射率是表征光透明物質光學性質的基本物理量之一，在各種光透明物質中，諸如密度、濃度、溫度、應力等物理量的變化，均會引起折射率的相應變化。因此，對折射率的測量方法研究具有重要的實際意義。目前微量液體折射率測量技術系統主要有法布里珀羅干涉測量法，光束偏轉法，條紋照相法，光纖波導效應方法，全息探測法以及后向散射干涉法。早在1982年Steven D. Woodruff用細胞流放置在法布里珀羅干涉計里，光以布魯斯特角入射到細胞流。經過法布里珀羅干涉儀后，干涉信號由光電倍增管探測，然后由記錄儀記錄信號。這種方法因為需要將待測液體置于法布里珀羅干涉儀里，并且需要嚴格的角度對準，造成了裝置的調節操作困難且不便。為了提高探測靈敏度以及不受光入射角度等的嚴格限制，Steven D. Woodruff等用雙探測的方法來改進，激光通過光學平板玻璃分成兩束光，均通過內置細胞流的法布里珀羅干涉儀后分別由兩個光電器探測。但是這種方法需要兩個探測器，造成系統復雜，結構龐大，成本增加。Janusz等采用渥拉斯頓棱鏡將波長633nm激光光源分成兩束光，光束通過樣品后由光電探測器探測，通過光束經過樣品后的偏轉來計算樣品折射率。探測光的偏轉受到環境擾動的影響比較大，造成結果的偏差。光纖波導效應方法是利用光纖傳感法的光纖波導效應來測液體折射率的。折射率的改變會引起螺旋形波導的彎曲損失，彎曲損失隨著彎曲的半徑或者說有效折射率差下降而增加。螺旋形的單模光纖波導在傳播方向波導的曲率半徑R減少，有效折射率差在傳播方向損耗會逐漸地增加，在某一點，光在螺旋形波導中損耗至零。傳感器原理就是基于由折射率差增加引起的損耗至零的這個點的移動。光在螺旋形波導傳播的長度直接測量折射率差。這種方法需要光波導在液體中，對液體的限制比較大，只能對特定的液體。全息探測法是全息光學兀件產生參考和探測光束。光束像扇子一樣傳輸，在遠場干涉產生等間隔的條紋，折射率的改變產生條紋的移動。遠場干涉的條件造成系統的結構龐大。Bornhop小組發展了后向散射干涉測量法，激光照射一部分通道，用位置敏感傳感器或CXD探測條紋的移動，但后向散射法雜散光干擾造成對干涉信號探測靈敏度的下降。縱上所述，如何獲得簡便高精度的小型化可便攜微量液體折射率測量系統是一大技術難點。
發明內容
針對現有技術中存在的缺陷，本發明的目的是提供一種微量液體折射率的測量系統及測量方法。
為達到上述目的，本發明采用如下的技術方案根據本發明的一方面，提供了一種微量液體折射率的測量系統，包括激光光源，采用He-Ne激光光源；望遠鏡，設于激光光源的前方，所述望遠鏡包括平行設置的第一凸透鏡以及第二凸透鏡，所述激光光源沿主光軸穿過第一凸透鏡以及第二凸透鏡；所述第一凸透鏡的后焦點以及第二凸透鏡的前焦點重合；第一光學平板玻璃，設于望遠鏡的后方，第一光學平板玻璃的第一個面鍍膜為40%，第二個面鍍膜為100% ;穿過望遠鏡的激光以45°角入射到第一光學平板玻璃，經過 第一光學平板玻璃的第一個面產生一路反射光，經過第一光學平板玻璃的第二個面和第一個面產生一路折射光；微流控芯片，包括盛放待測微量液體的微流體通道，所述反射光以及折射光經第一光學平板玻璃后相互平行；所述反射光以及折射光中的任一路穿過微流體通道，另一路直接穿過微流控芯片；第二個光學平板玻璃，與所述第一光學平板玻璃相平行；第二光學平板玻璃的第一個面鍍膜為40 %，第二個面鍍膜為100 %;穿過微流控芯片的反射光進入第二個光學平板玻璃，折射光由第二個光學平板玻璃的第一個面反射，兩光束通過第二個光學平板玻璃后會聚在一起并發生干涉，形成干涉光信號；CXD探測器，用于探測干涉光信號；其中，第一凸透鏡的焦距與第二凸透鏡的焦距之比和激光光源的光斑直徑與經過望遠鏡的激光的光斑直徑之比相等；經過望遠鏡的激光的光斑直徑小于微流體通道的寬度。所述微流體通道的寬度為250 μ m。所述第一光學平板玻璃以及第二個光學平板玻璃的厚度均為1_。所述微流體通道的高度在100 μ m以上。根據本發明的另一方面，還提供了一種微量液體折射率的測量方法，該測量方法的具體步驟為A. He-Ne激光光源發出的激光沿主光軸穿過第一凸透鏡以及第二凸透鏡后產生光斑變小的光；B.將光斑變小的光以45°角入射到第一光學平板玻璃，其中部分光經過第一光學平板玻璃的第一個面產生一路反射光，部分光折射進入第一光學平板玻璃并在第一光學平板玻璃的第二個面反射到第一個面產生一路折射光；折射光從第一光學平板玻璃內折射到空氣中，并與反射光相互平行；C.反射光以及折射光中的任一路穿過微流體通道，另一路直接穿過微流控芯片；D.反射光進入第二個光學平板玻璃的第一個面并折射到第二個光學平板玻璃的第二個面后，再反射回第二個光學平板玻璃的第一個面并折射到空氣中；折射光由第二個光學平板玻璃的第一個面反射，兩光束通過第二個光學平板玻璃后會聚在一起并發生干涉，形成干涉光信號；E. CXD探測器探測干涉光信號。所述微流體通道的寬度為250 μ m。
所述第一光學平板玻璃以及第二個光學平板玻璃的厚度均為1_。所述微流體通道的高度在100 μ m以上。采用本發明的一種微量液體折射率的測量系統及測量方法，在基于雙光束干涉技術中采用光學平板玻璃分光，采用兩個平行放置的光學平板玻璃，利用光學可逆原理，巧妙地把分別經過微流體通道和直接經過微流控芯片的兩束光會聚在一起，并且平行放置結構，使得第二個光學平板玻璃補償了第一個光學平板玻璃的光程，這兩束光的光程差完全由微流體通道內待測介質不一樣造成的，提高了測量結果的精度。與背景技術相比，本發明具有的有益效果是I、利用透鏡組對光源的光斑縮小到小于微流體通道的尺寸，利用光學平板玻璃鍍膜反射率的控制得到兩束光強接近的準直光，光斑達到幾百微米量級，并且兩束光相距也是幾百微米的距離。2、采用兩個光學平板玻璃組合，利用光學可逆原理，使得兩束光會聚在一起發生干涉，不再需要兩個探測器分別探測或者是遠場干涉條件的限制。3、兩個光學平板玻璃的平行放置，裝置為“Z”結構，第二個光學平板玻璃補償了第一個光學平板玻璃分成兩束光產生的光程差，使得參考光和樣品光的光程差完全由微流控芯片中經過的介質不同造成，提高了探測的靈敏度；4、本發明的微量液體折射率的測量系統及測量方法，微流控芯片帶來分析成本的降低和分析過程產生的廢物對環境污染的減小，整個裝置具有結構緊湊、體積小、易于維護以及便攜等特點。
圖I是本發明的一種微量液體折射率的測量系統的原理示意圖；圖2是圖I中的第一光學平板玻璃的分光示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例進一步說明本發明的技術方案。請參閱圖I所示的一種微量液體折射率的測量系統，包括激光光源11，采用He-Ne激光光源(He-Ne laser, Melles Griot, USA)；望遠鏡，設于激光光源11的前方，望遠鏡包括平行設置的第一凸透鏡12 (linosInc. ,Qioptiq)以及第二凸透鏡13 (linos Inc. , Qioptiq),激光光源11沿主光軸穿過第一凸透鏡12以及第二凸透鏡13 ;第一凸透鏡12的后焦點即圖I中第一凸透鏡12的左焦點以及第二凸透鏡13的前焦點即圖I中第二凸透鏡13的右焦點相重合；第一光學平板玻璃14 (Edmund Optics)，設于望遠鏡的后方，第一光學平板玻璃14的第一個面141鍍膜為40%，第二個面142鍍膜為100% ;穿過望遠鏡的激光以45°角入射到第一光學平板玻璃14，經過第一光學平板玻璃的第一個面產生一路反射光21，經過第一光學平板玻璃的第二個面和第一個面產生一路折射光22 ；微流控芯片15 (Swiss Federal Institute of Technology, Lausanne),是通過微細加工技術將盛放待測微量液體的微流體通道、微泵、微閥、微儲液器、微電極、微檢測元件、窗口和連接器等功能元器件像集成電路一樣，使它們集成在芯片材料(基片)上的微全、分析系統。微流控芯片15的面積約為幾平方厘米。用于制作本發明的微流控芯片的材料是聚二甲基硅氧烷簡稱PDMS，主要特征是容納流體的有效結構如微流體通道為微米級尺度。與宏觀尺度的實驗裝置相比，微流控芯片的微米級結構顯著增大流體環境的面積/體積比例，微流控芯片使得分析設備體積減小等性能改善，帶來分析成本的降低和分析過程產生的廢物對環境污染的減小等優點。微流體通道寬度為250 μ m,高度為100 μ m以上，這樣探測精度可以達到10-4RIU。反射光21以及折射光22經第一光學平板玻璃14后相互平行；反射光21以及折射光22中的任一路穿過微流體通道，另一路直接穿過微流控芯片第二個光學平板玻璃16 (Edmund Optics)，與第一光學平板玻璃14相平行；第二光學平板玻璃16的第一個面161鍍膜為40%，第二個面162鍍膜為100% ;穿過微流控芯片15的反射光21進入第二個光學平板玻璃16經第一個面161折射到第二個面162后反射回第一個面161再折射到大氣中，折射光22由第二個光學平板玻璃16的第一個面161反射，兩光束通過第二個光學平板玻璃后會聚在一起并發生干涉，形成干涉光信號；CCD探測器17(E2v Inc. ,Aviiva SM2 CL2014)，用于探測干涉光信號；CCD探測器17通過顯示器可以觀察干涉條紋的位置移動測量計算光程差。其中，第一凸透鏡的焦距與第二凸透鏡的焦距之比和激光光源的光斑直徑與經過望遠鏡的激光的光斑直徑之比相等；經過望遠鏡的激光的光斑直徑小于微流體通道的寬度。再請參見圖2所示，其中第一光學平板玻璃14厚度h為1mm，光以45°角入射到第一光學平板玻璃的第一個面141，一部分反射，一部分入射到玻璃里，到達第二個面142反射回第一個面后部分出射到空氣中，則得到了兩束分開的平行光，這兩束光相距d為756 μ m，兩個面分別鍍膜為40%和100%，這兩束光的光強分別為入射光的11 %和8%。如果采用光源光斑為Imm的He-Ne激光光源，經過焦距為20mm的第一凸透鏡12以及焦距為4. 6mm的第二凸透鏡后，光源光斑為230 μ m。經過第一個光學平板玻璃分光后，兩高斯光束垂直入射到附在玻璃基底18的微流控芯片15上，其中一束通過有液體的微流體通道，另一束光直接通過微流控芯片。兩光束通過微流控芯片后仍以45°角入射第二個同樣的光學平板玻璃即第二光學平板玻璃，這兩光束通過第二個光學平板玻璃后會聚在一起，發生干涉。在微流體通道平面上的光束光斑為230 μ m,小于微流體通道250 μ m的寬度。兩個玻璃平行平板是互相平行放置的，且厚度材質等是完全一樣的，厚度均為1mm。所以通過兩光束的光程差只在微流控芯片上經過不同介質。兩光束經過第一個光學平板玻璃后產生的光程差由第二個光學平板玻璃補償，這樣放置方法大大提高了探測靈敏度。本發明還提供一種微量液體折射率的測量方法，該測量方法的具體步驟為A. He-Ne激光光源發出的激光沿主光軸穿過第一凸透鏡以及第二凸透鏡后產生光斑變小的光；B.將光斑變小的光以45°角入射到第一光學平板玻璃，其中部分光經過第一光學平板玻璃的第一個面產生一路反射光，部分光折射進入第一光學平板玻璃并在第一光學平板玻璃的第二個面和第一個面產生一路折射光；折射光從第一光學平板玻璃內折射進入大氣，并與反射光相互平行；C.反射光以及折射光中的任一路穿過微流體通道，另一路直接穿過微流控芯片；D.反射光進入第二個光學平板玻璃的第一個面并折射到第二個光學平板玻璃的第二個面后，再反射回第二個光學平板玻璃的第一個面并折射到空氣中；折射光由第二個光學平板玻璃的第一個面反射，兩光束通過第二個光學平板玻璃后會聚在一起并發生干涉，形成干涉光信號；E. CXD探測器探測干涉光信號。所述微流體通道的寬度為250 μ m。所述第一光學平板玻璃以及第二個光學平板玻璃的厚度均為1_。所述微流體通道的高度在100 μ m以上。
本發明公開的一種微量液體折射率的測量系統及測量方法，采用雙光束干涉法，CCD探測器通過干涉條紋的位置移動的測量計算光程差，從而精確測定液體折射率。兩個光學平板玻璃使得光源分為兩束光之后又根據光學可逆原理會聚在一起，避免了雙探測器。光學平板玻璃的平行放置使得兩束光經過光學平板玻璃分光產生的光程差由第二個光學平板玻璃補償，提高了探測精度。這種微量液體折射率測量系統結構緊湊，體積小，價廉，便于攜帶，本發明可廣泛用于食品、醫藥、生物、石化等領域。需要指出的是，本發明所述的測量系統與本發明所述的測量方法在原理和實現過程上是相同或類似的，故其重復部分在此不再贅述。本技術領域中的普通技術人員應當認識到，以上的實施例僅是用來說明本發明的目的，而并非用作對本發明的限定，只要在本發明的實質范圍內，對以上所述實施例的變化、變型都將落在本發明的權利要求的范圍內。
權利要求
1.一種微量液體折射率的測量系統，其特征在于，包括激光光源，采用He-Ne激光光源；望遠鏡，設于激光光源的前方，所述望遠鏡包括平行設置的第一凸透鏡以及第二凸透鏡，所述激光光源沿主光軸穿過第一凸透鏡以及第二凸透鏡；所述第一凸透鏡的后焦點以及第二凸透鏡的前焦點重合；第一光學平板玻璃，設于望遠鏡的后方，第一光學平板玻璃的第一個面鍍膜為40%，第二個面鍍膜為100%;穿過望遠鏡的激光以45°角入射到第一光學平板玻璃，經過第一光學平板玻璃的第一個面產生一路反射光，經過第一光學平板玻璃的第二個面和第一個面產生一路折射光；微流控芯片，包括盛放待測微量液體的微流體通道，所述反射光以及折射光經第一光學平板玻璃后相互平行；所述反射光以及折射光中的任一路穿過微流體通道，另一路直接穿過微流控芯片；第二個光學平板玻璃，與所述第一光學平板玻璃相平行；第二光學平板玻璃的第一個面鍍膜為40%，第二個面鍍膜為100% ;穿過微流控芯片的反射光進入第二個光學平板玻璃，折射光由第二個光學平板玻璃的第一個面反射，兩光束通過第二個光學平板玻璃后會聚在一起并發生干涉，形成干涉光信號；CCD探測器，用于探測干涉光信號；其中，第一凸透鏡的焦距與第二凸透鏡的焦距之比和激光光源的光斑直徑與經過望遠鏡的激光的光斑直徑之比相等；經過望遠鏡的激光的光斑直徑小于微流體通道的寬度。
2.根據權利要求I所述的微量液體折射率的測量系統，其特征在于所述微流體通道的寬度為250 μ m。
3.根據權利要求I所述的微量液體折射率的測量系統，其特征在于所述第一光學平板玻璃以及第二個光學平板玻璃的厚度均為1mm。
4.根據權利要求I所述的微量液體折射率的測量系統，其特征在于所述微流體通道的高度在100 μ m以上。
5.一種微量液體折射率的測量方法，其特征在于該測量方法的具體步驟為A.He-Ne激光光源發出的激光沿主光軸穿過第一凸透鏡以及第二凸透鏡后產生光斑變小的光；B.將光斑變小的光以45°角入射到第一光學平板玻璃，其中部分光經過第一光學平板玻璃的第一個面產生一路反射光，部分光折射進入第一光學平板玻璃并在第一光學平板玻璃的第二個面反射到第一個面產生一路折射光；折射光從第一光學平板玻璃內折射到空氣中，并與反射光相互平行；C.反射光以及折射光中的任一路穿過微流體通道，另一路直接穿過微流控芯片；D.反射光進入第二個光學平板玻璃的第一個面并折射到第二個光學平板玻璃的第二個面后，再反射回第二個光學平板玻璃的第一個面并折射到空氣中；折射光由第二個光學平板玻璃的第一個面反射，兩光束通過第二個光學平板玻璃后會聚在一起并發生干涉，形成干涉光信號；E.CXD探測器探測干涉光信號。
6.根據權利要求5所述的微量液體折射率的測量方法，其特征在于所述微流體通道的寬度為250 μ m。
7.根據權利要求5所述的微量液體折射率的測量方法，其特征在于所述第一光學平板玻璃以及第二個光學平板玻璃的厚度均為1mm。
8.根據權利要求5所述的微量液體折射率的測量方法，其特征在于所述微流體通道的高度在100 μ m以上。
全文摘要
本發明公開了一種微量液體折射率的測量系統及測量方法，包括激光光源、第一凸透鏡、第二凸透鏡、第一光學平板玻璃、微流控芯片、第二個光學平板玻璃以及CCD探測器，激光光源發出的準直光穿過第一凸透鏡以及第二凸透鏡后產生光斑變小的光，以45°角入射到第一光學平板玻璃，產生一路反射光一路折射光，反射光以及折射光中的任一路穿過微流體通道，另一路直接穿過微流控芯片后進入第二個光學平板玻璃，通過第二個光學平板玻璃后會聚在一起并發生干涉形成干涉光信號，CCD探測器探測干涉光信號。本發明的微流控芯片帶來分析成本的降低和分析過程產生的廢物對環境污染的減小。整個裝置具有結構緊湊、體積小、易于維護以及便攜等特點。
文檔編號G01N21/45GK102636457SQ201210116830
公開日2012年8月15日 申請日期2012年4月19日 優先權日2012年4月19日
發明者宋成利, 崔海波, 徐兆紅, 王成, 陳明惠, 黃娟 申請人:上海理工大學