基于扫描白光干涉技术的微流体定量检测研究

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近年来人们研究出微型化、高集成化的微流体芯片,由于体积小(一般为纳升到皮升)、单次实验试样消耗小、传热传质速度较快、并且各种反应容易操控等特点,成为了细胞生物学、医疗诊断、光通信等许多领域的重要研究对象。但是由于微流体体积小且处于半封闭的微通道内,对微流体进行检测需要透过芯片封装外壳,这些都给微流体的定量检测带来了挑战。目前的方法存在需要接触样品或者需要荧光标记、难以实现封闭环境的检测及超小体积的高精度测量等问题。为解决上述问题,本论文提出了一种基于扫描白光干涉技术的微流体定量检测方法,这是一种非接触、无需荧光标记、高精度、快速的检测方法,主要研究内容如下:首先,提出了一套改进式扫描白光干涉检测系统,系统通过增加补偿板来调节光程差以满足相干条件,优化了光路。对比了多种白光信号峰值提取算法,得出Morlet小波变换法的抗干扰能力强且计算精度高,在此基础上提出了折射率分布测量方法。其次,实现了微通道结构的表面形貌重构,在此基础上实现了微流体的折射率测量。检测体积为2.4皮升,检测分辨率达到了像素级,并与经典阿贝折射仪测量结果进行对比,相对误差约为0.03%,折射率分辨率为10-4 RIU。同时也实现了微流体折射率分布的测量,检测出两种微流体的分液界面,实现了阶梯型折射率分布检测。然后,测量了微流体折射率的变化,包括折射率随浓度的变化,以葡萄糖溶液和尿素溶液为例,验证了浓度与折射率的线性关系,得出了室温下两种溶液折射率与浓度的经验关系式,说明了该系统测量微流体浓度的可行性;测量了微通道内葡萄糖溶解过程中折射率分布随时间的变化,验证了系统测量折射率动态分布的可行性;测量了不同浓度尿素致牛血清蛋白变性后产物的折射率变化,结果与荧光光谱检测到的蛋白质变性后结构的变化情况相匹配,说明了该方法在生物学上具有广阔的应用前景。最后,根据温度与折射率的关系,提出了基于扫描白光干涉技术的微流体温度场测量方法。利用光纤的光热效应引起微流体的温度升高,然后测量微流体的温度场。结果显示对于平端面、斜端面、锥形光纤,微流体的峰值温度约达到83℃、81℃、121℃。且峰值温度与光功率近似成正比关系。使用有限元方法对光纤端面附近的电场、稳态传热场,以及温度分布进行仿真,得到的结果与测量结果非常吻合。
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