微流芯片中消逝波激勵的熒光輻射特性研究?

儲玉飛 張遠憲 劉春 普小云

(云南大學物理系,昆明 650091)

微流芯片中消逝波激勵的熒光輻射特性研究?

儲玉飛 張遠憲 劉春 普小云?

(云南大學物理系,昆明 650091)

(2016年11月21日收到;2017年3月2日收到修改稿)

將石英裸光纖植入聚二甲基硅氧烷基片的微流道中,采用沿光纖軸向光抽運、消逝場激勵染料分子的方式,在基片微流道中獲得均勻的熒光輻射.實驗發現,熒光輻射的強度隨光纖軸向距離的增加而衰減,光纖包層溶液折射率越大,熒光沿光纖軸向的衰減越突出;包層溶液中染料濃度越大,熒光沿光纖軸向的衰減也越突出;通過選擇適當的包層溶液折射率以及染料濃度可以獲得沿光纖軸向接近均勻的熒光輻射.用消逝波激勵熒光的輻射理論計算了熒光光強沿光纖軸向的變化,計算結果與實驗符合較好.在此基礎上,設計并制作了一種具有三個通道的聚二甲基硅氧烷基片,通過在三個微流道中分別注入染料濃度均為0.1 mmol的羅丹明640、羅丹明B及羅丹明6 G的乙醇染料溶液,采用沿光纖軸向消逝波光激勵方式,在一塊聚二甲基硅氧烷基片上同時實現了三個不同波段的熒光輻射.

∶微流控芯片,熒光輻射特性,消逝波,三波段熒光光源

PACS∶42.81.—i,07.05.Fb,33.50.Dq,42.68.AyDOI∶10.7498/aps.66.104208

1 引 言

微流控技術(Microfluidics)[1,2]是一門涉及物理、化學、微電子學、新材料、微納加工與生物技術等領域的交叉學科和技術.微流控裝置具有微型化、集成化等特點,通常被稱為微流控芯片,也被稱為芯片上的實驗室(Lab on a Chip)或微全分析系統(micro-total analytical system,μ-TAS)[1?3]. 光流控技術(Optofluidics)[4?7]是結合Microfluidics和光學、光電子學技術而形成的新穎的交叉前沿學科和技術,可在微米尺度上通過操控流體達到調節系統的光學或光電子學特性的目的.由于該類系統具有快速、高效、樣品取樣少等優點[8?10],使得Optofluidics成為μ-TAS中最活躍的領域和發展前沿.光學檢測是目前Optofluidics系統中使用最多的檢測方法,其中激光誘導熒光(laser induced fluorescence,LIF)檢測法由于具有較高的靈敏度、良好的選擇性和較寬的線性范圍,已經發展為Optofluidics系統中最常用的光學檢測方法[11].因此,將熒光光源集成到芯片中,作為芯片中其他系統的光源,是芯片實驗室走向多功能的關鍵技術[12].

為了實現微流芯片內熒光光源的集成,Whitesides等[13,14]用溶入染料分子的乙二醇溶液(折射率1.432)作為液芯,用低折射率的水(折射率1.333)作為包層,在聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)基片的微流道中首次集成了三明治型的L2(liquid core and liquid-cladding)液芯波導,通過選用不同的染料分子可以獲得不同波長范圍的熒光輻射;Yang等[15]提出基于兩相分層流動的LA(liquid core and air cladding)型的液芯波導,這種類型的光波導也是在PDMS微流道中用溶入染料分子的高折射率的乙二醇作為液芯,用低折射率的空氣(折射率1.000)作為液芯的包層,由于液芯介質和空氣間較大的折射率差值增強了波導對傳輸光的控制.然而,上述兩種類型的波導或者受強光的橫向(垂直于基片平面)直接激勵作用[13,14],或者由外部光纖將激勵光耦合入含有染料分子的液芯內[15].這種激勵方式存在兩個主要的弊端∶1)強激光對基片的直接激勵會嚴重損壞基片的壽命,并且由于基片的不均勻性,使得激勵光在基片內散射損耗嚴重;2)由于染料分子都屬于對激勵光具有強烈吸收的分子,其較大的吸收使得激勵光在芯區的空間分布是非均勻的,由此產生的熒光的空間分布也是非均勻的.

本文將單一折射率的石英裸光纖(折射率1.458)植入PDMS(折射率1.41)基片的微流道中,在微流道中注入低折射率的染料溶液作為光纖包層,采用沿光纖軸向光激勵方式,激勵光沿光纖軸向以受抑全反射方式(frustrated total reflection,FTR)傳播[16],其消逝場滲透到包層溶液中,并在此消逝場區域內激勵染料分子產生熒光輻射.這種激勵方式具有如下兩個顯著特點∶1)激勵光從石英光纖前端面進入后在光纖內傳播,不會損傷光纖外的材料結構;2)熒光輻射由激勵光的消逝場產生,激勵光的消逝場在光纖周圍是均勻的,熒光輻射在光纖周圍也是均勻的.因此,采用沿光纖軸向消逝場激勵熒光方式在PDMS基片中產生微流熒光,可以同時解決光流控芯片內熒光光源產生方式存在的兩個弊端[13?15].在此基礎上,研究了沿光纖軸向包層溶液折射率以及染料濃度對熒光輻射強度的影響.然后,設計并制作了一種具有三個微流道的PDMS基片,通過在三個通道中分別注入不同染料的溶液,采用沿光纖軸向消逝波光激勵方式,在不改變激勵波長的條件下,在一塊PDMS基片上同時實現了三個不同波段的熒光輻射.

2 實驗結果與討論

2.1 消逝波激勵的熒光輻射

首先,設計并制作了基于PDMS的微流道基片,如圖1所示.基片微流道尺寸為25 mm×0.3 mm×0.3 mm,由蘇州汶顥芯片科技有限公司生產制作.具體制作過程如下∶首先制作兩片完全相同的PDMS基片(尺寸為34 mm×15 mm×2.5 mm),基片上光纖通道的尺寸為34 mm×0.2 mm× 0.1 mm.為保證光纖居于微流道中間,所以光纖通道中部作為儲液池部分的微流道的尺寸為25 mm×0.3 mm ×0.15 mm;然后利用黏合夾具把上下兩部分黏合,黏合后的光纖通道尺寸為34 mm×0.2 mm×0.2 mm,微流通道尺寸為25 mm×0.3 mm ×0.3 mm.把直徑為185μm的單一折射率的石英裸光纖(fiber)植入到加工好的基片中,利用毛細現象把未固化的PDMS吸入光纖微流通道區域外光纖通道和PDMS之間的縫隙處,在室溫下放置24 h后放入烤箱中,加熱至60?C后固化30 min,固化后即可保證不發生漏液,在微流通道區域PDMS與光纖的縫隙處注入低折射率的染料溶液作為光纖的增益包層.

圖1 PDMS芯片結構圖Fig.1.Structure diagram of the PDMS chip.

圖2 消逝波激勵的熒光輻射原理圖(光纖端面入射角θi=22.3?;光纖內表面入射角θt=74.8?)Fig.2.Schematic diagram of the fluorescence emission based on evanescent wave pumping(entrance angle of a beam on thefiber end face θi=22.3?;incidence angle of the beam on thefiber side face θt=74.8?).

以波長為532 nm的連續波(CW)激光器作為激勵光,采用沿光纖軸向光激勵方式(如圖2所示),激勵光沿光纖軸向以FTR方式傳播,其消逝場(Ep)滲透到包層溶液中,并在此消逝場區域內激勵染料分子產生熒光輻射(IF),熒光沿光纖表面輻射出來由導光光纖送入光譜采集系統(ICCD,PI-MAX;Spectrometer,Spectrapro 500i).

圖3 (網刊彩色)(a)光纖軸向不同位置的熒光光譜;(b)光纖軸向不同位置的熒光輻射強度分布;(c)熒光沿光纖軸向輻射實物圖Fig.3.(color online)(a)Fluorescence spectra from different positions along the fiber axis;(b) fluorescence emission intensity distribution for different positions along the fiber axis;(c)picture of the fluorescence emission along the fiber axis.

圖3(a)和圖3(b)分別是包層溶液折射率較低(1.361),染料濃度較小(0.1 mmol)的羅丹明6 G(Rhodamine 6 G,Rh6G)沿光纖軸向不同位置(Z)處的熒光輻射光譜圖及歸一化的熒光輻射強度隨Z的變化關系,圖3(c)為熒光沿光纖軸向輻射實物圖.圖3(b)中ηp為激勵光在光纖外以及光纖內外沿徑向的積分強度之比[16],本文后續理論解釋部分將對其做進一步說明.由于激勵光的消逝場處于吸收介質(包層染料溶液)中,其沿光纖軸向以FTR方式傳播,所以激勵光的強度沿光纖軸向是不斷衰減的,因而其激勵的熒光輻射強度也是不斷衰減的.由圖3(a)可知,熒光輻射強度隨Z的增加而不斷衰減,但衰減幅度不大.圖3(b)是熒光輻射的歸一化強度隨Z的變化關系,由圖可知,熒光輻射強度沿光纖軸向也是不斷衰減的.下面主要討論沿Z軸方向包層溶液折射率及染料濃度對熒光輻射強度的影響.

2.2 影響熒光輻射強度的因素

2.2.1 包層溶液折射率

用折射率為1.361和1.432的無水乙醇和乙二醇分別配置了濃度均為2 mmol的Rh6G染料母液,兩種母液按一定比例混合后,得到折射率為1.402(ZWA-J型阿貝折射儀測量值)的混合溶液.圖4是不同溶液折射率的熒光輻射強度沿光纖軸向的變化關系.由圖可知,熒光輻射的強度隨光纖軸向距離的增加而衰減,光纖包層溶液折射率的值越大,熒光輻射強度沿光纖軸向的衰減越突出;通過減小包層溶液折射率,可以實現熒光輻射強度沿光纖軸向的較小衰減.

圖4 (網刊彩色)不同折射率的熒光輻射強度隨位置的變化Fig.4.(color online)Fluorescence emission intensity varied with Z for different refractive indexes.

2.2.2 染料濃度

圖5是在溶液折射率為1.361,不同染料濃度(0.1 mmol,1 mmol,10 mmol)的Rh6G乙醇溶液的熒光輻射強度沿光纖軸向的變化關系.由圖可知,熒光輻射的強度也隨光纖軸向距離的增加而衰減,包層溶液中染料的濃度越大,熒光沿光纖軸向的衰減也越突出;通過減小包層染料濃度,可以實現熒光輻射強度沿光纖軸向的較小衰減.

圖5 (網刊彩色)不同染料濃度的熒光輻射強度隨位置的變化Fig.5.(color online)Fluorescence emission intensity varied with Z for different dye concentrations.

2.2.3 理論解釋

消逝波激勵的熒光沿光纖徑向的積分強度(Z=0 mm時截面的熒光總強度)可以表示為[17]

其中n1和n2分別是石英光纖和染料溶液的折射率,θt是激勵光在光纖界面內的入射角,C為染料溶液的濃度,λp是激勵光在真空中的波長,Ip0為在Z=0 mm處的激勵光強是染料溶液對激勵光的吸收系數,A是由激勵光的耦合效率及染料分子的熒光量子效率等因素共同確定的常數.

由于激勵光在光纖內以FTR方式傳播,其強度在光纖內沿光纖軸向是逐漸衰減的.其衰減規律滿足比爾吸收定律[18],

將(3)式代入(2)式,并用IF(Z=0)取代(2)式中的Ip0后得到熒光輻射強度沿光纖軸向的分布滿足

首先用(4)式對圖3(b)所述實驗結果進行數值計算.對本文所述的實驗光學系統,(4)式中除ηp和A外,其余每一個量都是確定的實驗值或理論可計算量.對實驗所用的石英光纖,在可見光范圍內每米透光率為97%—99%,對應的吸收系數Rh6G乙醇溶液在532 nm波長處的吸收截面σabs=4.8×10?16cm2[16],對濃度C=2 mmol的溶液,吸收系數是激勵光在光纖外以及光纖內外沿徑向的積分強度之比,對本實驗所用的光纖,目前還不能計算出ηp的理論值,我們采用試探值的方法結合實驗數據擬合得到ηp的值.在圖3(b)中任取一組實驗數據點(Z,IF(Z)),和一系列試探值ηp,代入(4)式,和實驗值符合最好的試探值ηp,就是真實的ηp值.在圖3(b)中,當ηp=0.0001,0.0002,0.0003時,得到IF(Z)的分布曲線如圖中實線所示.圖3(b)的擬合結果表明,ηp=0.0002就是在增益包層溶液折射率1.361,Rh6G濃度為0.1 mmol條件下的真實ηp值.

在染料濃度一定的情況下,我們用(4)式對圖5所示實驗結果進行擬合.由圖4可知,對折射率分別為1.361,1.402和1.432的染料溶液,其對應的ηp值分別為0.0002,0.0003和0.0006,即隨著溶液折射率的增加,ηp值逐漸增大,從而導致了吸收損耗的增加.說明較大的包層溶液折射率意味著激勵光的消逝場滲透到較深的包層溶液中,導致更大的ηp值,ηp值越大,表明處于激勵光消逝場內有更多的染料分子受到激發,吸收損耗也隨之增大,從而導致光纖包層溶液折射率的值越大,熒光輻射強度沿光纖軸向的衰減越突出.

在染料溶液折射率一定的情況下,我們同樣用(4)式對圖4所示實驗結果進行擬合.由圖5可知,對染料濃度分別為0.1,1和10 mmol的溶液,其對應的ηp值均為0.0002,即隨著染料濃度的增加,ηp值不變.但是,高濃度的包層溶液中含有更多的染料分子,處于激勵光消逝場內有更多的染料分子受到激發,吸收損耗隨之增大,從而導致包層溶液中染料的濃度越大,熒光沿光纖軸向的衰減也越突出.

由圖3(b)、圖4和圖5可知,(4)式的計算曲線與實驗結果符合較好,說明我們對本文所述實驗光學系統物理機制的理解是正確的.至此,我們用消逝波激勵熒光的輻射理論,對圖4和圖5反映出的實驗規律做出了很好的解釋.同時,由上述分析可知,通過降低包層溶液折射率以及染料濃度可以獲得沿光纖軸向一定距離范圍內接近均勻的熒光輻射,如圖3(b)所示,當溶液折射較低(1.361),染料濃度也較小(0.1 mmol)時,其熒光輻射強度在0—25 mm內衰減較小(＜10%),此時,可以認為沿光纖軸向熒光輻射強度是接近均勻的.

圖6 (網刊彩色)(a)三通道熒光輻射結構圖;(b)三通道熒光實物圖;(c)三通道熒光光譜圖Fig.6. (color online)(a)Schematic diagram of tri-channel fluorescence emission;(b)picture of trichannel fluorescence emission;(c) fluorescence spectra for three different channels.

3 三波段熒光輻射

利用沿光纖軸向消逝波激勵的熒光輻射的特點,我們設計了基于PDMS的具有三個通道(channel,Ch)的微流道基片,如圖6(a)所示,三個微流通道尺寸均為0.3 mm×0.3 mm×0.3 mm,PDMS基片仍由蘇州汶顥芯片科技有限公司制作.實驗中所用光纖的直徑仍為185μm.由2.2節的分析可知,通過選擇較低包層溶液折射率及較小染料濃度的溶液可以實現熒光沿光纖軸向的較小衰減,綜合考慮染料在乙醇溶液中的熒光量子效率,我們在通道1(Ch1)、通道2(Ch2)及通道3(Ch3)中分別注入折射率為1.361、濃度為0.1 mmol的Rh640,RhB及Rh6G的乙醇染料溶液.由于Rh640的熒光量子效率最低,所以將其放于光纖軸向的上游(Ch1),而Rh6G的熒光量子效率最高,將其放于光纖軸向的下游(Ch3).以波長為532 nm的CW激光器作為激勵光,采用沿光纖軸向消逝波光激勵方式,在不改變激勵波長的情況下,在同一塊PDMS基片上同時實現了三個不同波段且接近均勻的熒光輻射,如圖6(b)所示.圖6(c)是三個通道所對應的熒光光譜,由于Rh6G在乙醇溶液中的熒光量子效率較高[19],所以熒光輻射強度相對較強;Rh640在乙醇溶液中的熒光量子效率較低[19],所以熒光輻射強度也相對較弱.

4 結 論

采用沿光纖軸向消逝波光激勵方式,激勵光從石英光纖前端面進入后在光纖內傳播,不會損傷光纖外PDMS基片的材料結構;同時,由于熒光輻射由激勵光的消逝場產生,激勵光的消逝場在光纖周圍是均勻的,所以熒光輻射在光纖周圍也是均勻的.研究了光纖包層溶液折射率及染料濃度對熒光輻射強度的影響,結果表明,包層溶液折射率越大,熒光沿光纖軸向的衰減越突出;包層溶液中染料濃度越大,熒光沿光纖軸向的衰減也越突出;通過選擇適當的包層溶液折射率以及染料濃度可以獲得沿光纖軸向接近均勻的熒光輻射.用消逝波激勵熒光的輻射理論計算了熒光光強沿光纖軸向的變化,計算結果與實驗符合較好.與傳統的多波段光源需要多個激勵源相比[20],本文設計并制作了一種具有三個通道的PDMS基片,通過在三個通道中分別注入不同染料的溶液,采用沿光纖軸向消逝波光激勵方式,在不改變激勵波長的情況下,在一塊PDMS基片上同時實現了三個不同波段的接近均勻的熒光輻射.本文所述的PDMS微流芯片可為“芯片上的實驗室”提供一種接近均勻的熒光光源,對Optofluidics系統中開展生物技術[21,22]、化學分析等[23,24]工作具有潛在的應用價值.三通道微流芯片可以為光流控芯片提供三波段熒光光源,在生物學領域、蛋白質分析[25]及抗原抗體特異性結合免疫性分析等[26]方面具有重要的應用.

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PACS∶42.81.—i,07.05.Fb,33.50.Dq,42.68.AyDOI∶10.7498/aps.66.104208

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.11404282,61465014),the Chinese Academy of Sciences “Light of West China” Program,and the Young Backbone Teachers Training Program of Yunnan University,China.

?Corresponding author.E-mail:xypu@163.com

Fluorescence radiation characteristics based on evanescent wave pumping in a microfluidic chip?

Chu Yu-FeiZhang Yuan-Xian Liu Chun Pu Xiao-Yun?
(Depatment of Physics,Yunnan University,Kunming 650091,China)

21 November 2016;revised manuscript

2 March 2017)

A bare quartz opticalfiber is implanted in a microfluidic channelof polydimethylsiloxane(PDMS)substrate.Pumping the microfluid by a continuous wave laser with a wavelength of 532 nm along thefiber axis,thefluorescent spectra from the channelfilled with lower refractive index(RI)dye solution are obtained.Due to the fact that the evanescent field of the pump beam is homogeneous aroundfiber,thefluorescent emission from the rim offiber is uniform.It is found experimentally that thefluorescent emission intensity decreases with the axial distance offiber,and the intensity is very sensitive to the RI of the dye solution and the dye concentration.For the dye solution with a large RI,the emittedfluorescent intensity attenuates along thefiber axis more obviously than that of the dye solution with a small RI.For the high dye concentration solution,the emittedfluorescent intensity attenuates along thefiber axis also more significantly than that of the low dye concentration solution.Therefore,it is possible to obtain a uniform fluorescence radiation along thefiber axis by selecting a suitably smaller RI and a lower dye concentration solution.The observed experimental phenomena are well explained based on the mechanism of evanescent wave pumpingfluorescent radiation.Based on the features offluorescent emission in the microfluidic chip,a PDMS chip with three micro-channels is designed and fabricated.After injecting ethanol solutions of rhodamine 640,rhodamine B and rhodamine 6 G separately into the three channels and pumpingthese solutions by evanescent wave along the opticalfiber axis,three fluorescence emissions with different wavelength ranges are successfully observed in a single PDMS chip.

∶microfluidic chip, fluorescence radiation characteristics,evanescent wave,tri-bandfluorescent light sources

?國家自然科學基金(批準號:11404282,61465014)、中國科學院西部之光人才培養項目和云南大學中青年骨干教師培養項目資助的課題.

?通信作者.E-mail:xypu@163.com

?2017中國物理學會Chinese Physical Society