基于激光背向散射干涉的微通道內液體溫度檢測技術

陳小紅，張校亮，b，譚 慷，b，李曉春，b

(太原理工大學 a.物理與光電工程學院，新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點實驗室， b.生物醫(yī)學工程學院，太原 030024)

溫度對于生化反應和生化分析具有重要的影響[1-2]，因而高靈敏度的溫度檢測與傳感技術顯得尤為重要。隨著微全分析系統(tǒng)技術的發(fā)展，在微全分析系統(tǒng)的微通道內進行生化反應和分析越來越普遍[3]，因此，微通道內液體溫度的高靈敏度檢測與傳感技術成為人們關注的熱點[1,4]。傳統(tǒng)的熱電偶、熱電阻等接觸式溫度檢測技術，具有簡單可靠等優(yōu)點，但因其傳感元件需要與被測物體充分熱交換，導致檢測結果易產生溫度滯后，傳感元件與液體接觸還會降低測溫元件的壽命，并且不易集成到微通道中[5-6]；紅外輻射、熒光測溫、拉曼光譜測溫等非接觸溫度檢測技術不會對測溫區(qū)域造成干擾，并具有無損、實時、可用于微尺度通道液體溫度檢測等優(yōu)點，但紅外輻射測溫技術需要被測對象符合黑體模型[7]；熒光測溫技術需要進行熒光標記并依賴于高精度的熒光光譜儀或熒光壽命探測器，且易出現(xiàn)光漂白現(xiàn)象[4,8-9]；拉曼光譜測溫速度慢，信號弱，且易受到待測物質熒光的干擾[10]。

基于光學干涉原理的激光干涉測溫技術是一種新型的溫度檢測和傳感技術，具有靈敏度高、易集成、可遠程監(jiān)測等優(yōu)點，因而引起了人們極大的研究興趣[11-12]。例如，趙勇課題組提出了一種基于單模-多模-單模組合結構的反射式光纖溫度傳感器[11]，利用反射譜的波長移動以及界面上的菲涅耳反射測量液體的溫度和折射率，其靈敏度分別為-92.6 pm/℃和-67.9 dB/RIU，該技術具有靈敏度高，操作方便，易攜帶等優(yōu)點。WANG et al[12]利用基于光纖的混合法布里-珀羅干涉儀可以同時進行液體折射率和溫度的檢測，利用光纖腔的熱光效應引起的折射率的變化來檢測水溫變化，檢測靈敏度為10.85 pm/℃，分辨率為0.1 ℃.然而，上述溫度檢測技術均需要將溫度探測部分置于待測液體中，仍屬于接觸式測溫，并易對待測液體形成干擾。1995年，BORNHOP et al[13]將激光入射到通有待測液體的毛細管內，利用激光在毛細管內外界面多角度的反射和折射光形成干涉條紋，管內液體的折射率改變時，干涉條紋花樣不變，但相對于初始干涉條紋位置有一定的移動，移動量與折射率變化有關，因而可實現(xiàn)管內液體折射率變化的高靈敏度檢測[14-15]。該技術被形象地稱為“背向散射干涉”(back-scattering interferometry，BSI)技術[13]，并用于抗原-抗體等分子間相互作用的檢測[16-17]。由于液體具有熱光效應[18]，當溫度改變時其折射率會隨溫度不同而發(fā)生改變，因此，將液體的熱光效應和BSI技術相結合可以實現(xiàn)微通道內液體溫度及其變化的高靈敏度檢測。

本文研究了一種基于液體熱光效應和激光背向散射干涉(back-scattering interferometry，BSI)原理的非接觸式光學溫度檢測技術。采用超純水為樣品，石英毛細管作為微通道，線陣CCD作為探測器記錄激光背向散射干涉條紋信息，為提高檢測準確度，利用快速傅里葉變換將干涉條紋移動信號轉化為相位值變化量[16,19]。通過建立相位值與溫度的關系，實現(xiàn)了溫度的高靈敏度檢測。

1 檢測裝置

檢測裝置如圖1所示，由波長為532 nm的全固態(tài)激光器發(fā)出一束激光，激光束經過反射鏡反射后入射到通有超純水的石英毛細管(內徑0.63 mm，外徑2 mm)中。

圖1 基于BSI和熱光效應的溫度檢測裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of temperature detection system based on BSI and thermo-optic effect

激光經過毛細管內外界面的多次反射、折射，其中一部分反射和折射光鏡經鏡面反射至線陣CCD處并產生干涉條紋，由線陣CCD接收干涉條紋信號，并記錄產生的干涉條紋信息。石英毛細管放置在固定板上，由溫度控制系統(tǒng)設定并控制石英毛細管及其液體的溫度。激光光斑直徑約3.16 mm，因而管內液體探測體積約為1 μL.

在檢測過程中，當毛細管內液體溫度改變時，液體折射率會隨之發(fā)生變化，因而線陣CCD處的干涉條紋會發(fā)生平移。由于干涉條紋及其移動量的檢測準確度受限于CCD的像素大小以及干涉條紋的質量高低，因而往往難以準確檢測，因此本文中將干涉條紋的光強-像素位置關系曲線進行快速傅里葉變換，獲取光強曲線的相位值以及條紋移動時對應的相位值變化，并建立光強曲線的相位值與溫度的關系，從而進行溫度的檢測。

2 實驗部分

2.1 實驗儀器

全固態(tài)激光器(長春新產業(yè)光電技術有限公司，MGL-III-532,100 mW)，石英毛細管(佰思特石英)，線陣CCD(THORLABS,LC100)，超純水系統(tǒng)(Genpure UV,美國Thermo公司)，溫控系統(tǒng)：溫控器(THORLABS,TED200C)，半導體致冷器(THORLABS,TEC3-6)和溫度傳感器(THORLABS,AD590).

2.2 不同溫度下的干涉條紋光強-像素位置曲線

如圖2(a)所示，利用溫控系統(tǒng)使得充有超純水的毛細管分別處于不同的溫度，由線陣CCD分別采集各個溫度下的干涉條紋。其對應的干涉條紋的歸一化光強-像素位置關系曲線相似，并隨溫度變化而發(fā)生明顯平移。這是由于超純水的熱光效應，其溫度改變時，折射率發(fā)生了改變，使得毛細管內外界面多角度的反射和折射光之間的光程差發(fā)生變化，從而引起了干涉條紋光強曲線的移動。由于圖中光強曲線的峰和谷均具有一定寬度，因而采用像素數(shù)量難以準確計算干涉條紋的移動量。為提高檢測準確度，將不同溫度下干涉條紋的歸一化光強-像素位置關系曲線進行快速傅里葉變換，可以得到各曲線變換后的相位、空間頻率和幅值關系。如圖2(b)所示，

圖2 不同溫度下的BSI信號及處理Fig.2 BSI signal and processing at different temperatures

當毛細管及超純水處于不同溫度時，干涉條紋的主要空間頻率保持不變，而其對應的相位值發(fā)生了改變，例如，當溫度從25.00 ℃升至25.80 ℃時，對應的相位值從2.989 8 rad變?yōu)?.444 3 rad，這說明干涉條紋的花樣未發(fā)生變化，只是發(fā)生平移，因而可以采用BSI信號的相位值作為檢測量[19]。

3 結果與討論

3.1 溫度與BSI信號關系

圖3為不同溫度下，BSI相位值隨時間的變化關系。初始溫度為25.00 ℃，利用溫控系統(tǒng)每10 min將毛細管及管內超純水溫度提高0.20 ℃，可以看到對應的BSI相位值也隨之增加。在溫度設定的初始階段，BSI相位值快速增加并出現(xiàn)較大波動，這是由于在設定溫度的初始階段，溫度控制系統(tǒng)使得毛細管和管內超純水快速升溫，因而折射率快速變化，而使得毛細管、管內超純水和毛細管周圍局部環(huán)境均達到設定溫度以及熱平衡需要一定的時間，在此過程中毛細管和內部液體溫度會有一定波動。從圖中可以看到每次改變設定溫度2～3 min后，毛細管、管內超純水和毛細管周圍局部環(huán)境溫度達到平衡，并均穩(wěn)定在設定值，BSI相位值也趨于穩(wěn)定，利用穩(wěn)定后的BSI相位值作為采集的BSI信號，建立BSI相位值-溫度關系曲線。

圖3 不同溫度下BSI相位值信號隨時間的變化Fig.3 BSI phase value signal changes with time at different temperatures

如圖4所示，BSI相位值隨溫度升高而增加，當溫度從25.00 ℃升高至27.40 ℃時，BSI相位值從2.989 8 rad增至7.138 6 rad，并且BSI相位值與溫度之間呈現(xiàn)良好的線性關系，所得線性擬合方程為y=1.741 3x-40.511 9，其線性相關系數(shù)R2為0.999，斜率k為1.741 3 rad/℃.由于水的熱光系數(shù)dn/dT約為1×10-4RIU/℃，而毛細管的熱光系數(shù)約為1×10-5RIU/℃，遠小于水的熱光系數(shù)[20]，因而可以認為BSI信號變化主要歸因于溫度改變時毛細管內水的折射率變化。從圖4插圖中還可以看到BSI相位值信號具有一定的噪音，并在2.98～2.99 rad之間波動，計算得到其對應的標準差σ為0.003 rad，根據(jù)2σ原則[20]，對應的溫度分辨率為2σ/k=0.003 ℃.此處的BSI相位值噪音波動主要來源于兩方面，一是搭建的檢測系統(tǒng)本身的微小震動以及線陣CCD的背景噪音等因素；二是受限于溫度控制器的性能和溫度控制精度，毛細管、管內超純水和毛細管周圍局部環(huán)境處于設定溫度及熱平衡期間，溫度控制器也可能會引起溫度的動態(tài)小幅波動。

圖4 BSI相位值信號與溫度的關系Fig.4 BSI phase value signal and temperature

3.2 溫度檢測的重復性

為了觀察該檢測技術對溫度檢測的重復性，將毛細管微通道的設定溫度分別在25.00 ℃和25.20 ℃之間進行重復切換，每個溫度保持10 min，各重復3次，所得BSI相位值信號隨時間變化如圖5所示。從圖5中可以看到，升溫以及降溫切換的初始階段，BSI相位值均發(fā)生較大波動，約3 min后趨于穩(wěn)定。這種波動也說明了本文中的基于BSI和熱光效應的溫度檢測方法具有快速、實時的優(yōu)點。

根據(jù)穩(wěn)定后的BSI相位值得到毛細管內超純水的溫度，在25.00 ℃時3次檢測結果所得標準偏差σ為0.7%，25.20 ℃，標準偏差σ為2.2%，這表明所得的溫度檢測結果具有良好的重復性，該技術可以用于透明微通道內液體溫度的快速、實時、非接觸式檢測及傳感。由于激光光斑直徑約3.16 mm，激光探測的管內液體體積約為1 μL，減小毛細管的直徑或者將毛細管改為常見的聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)透明微流控通道可進一步將管內液體體積減小至nL甚至pL量級[16]。此外，由于大部分液體均具有一定的熱光效應，因而該檢測方法也具有普適性，可用于緩沖液、反應液溫度檢測等[18,20]。

4 結論

本文研究了一種基于液體熱光效應和激光背向散射干涉原理的微通道內液體溫度檢測技術。根據(jù)液體溫度變化引起的激光干涉條紋移動，進行微通道內液體溫度的定量檢測。以毛細管內超純水為例驗證了該技術的準確性和可行性，所得溫度分辨率為0.003 ℃，探測體積約為1 μL.減小毛細管的直徑，或者將毛細管改為透明的PDMS微流控通道可進一步將液體的探測體積減小至nL甚至pL量級。此外，由于大部分液體均具有一定的熱光效應，因而該檢測方法也具有普適性，可用于緩沖液、反應液等溫度檢測，并具有快速、實時、高靈敏度、非接觸等優(yōu)點。