一种基于偏芯熔接暴露式法珀微流腔传感装置

本发明涉及光纤传感与微流控，尤其是涉及一种基于偏芯熔接暴露式法珀微流腔传感装置。

背景技术：

1、光纤法珀干涉微流腔将光学干涉腔与微流通道集成一体化，具备体积微型化、抗电磁干扰、无标记检测、可远程实时监测、灵敏度高等诸多优势，是微流控光学传感领域的核心器件之一，在微量流体参数检测领域具备不可替代的应用价值。

2、现有光纤法珀微流腔的核心设计原理为：在光纤端面或内部构建两个光学反射面，在两组反射面之间集成微流通道，使待测液体与传输光场充分相互作用，通过采集、解析干涉光谱的波长漂移、相位变化、光强波动等信号，实现对液体折射率、浓度等参数的定量检测。

3、但现有技术方案在实际制备与应用过程中存在诸多核心缺陷，严重制约器件检测性能、稳定性及批量产业化应用：

4、器件装配难度大、成品率低、易发生堵塞损坏。现有主流方案多将拉锥光纤插入边孔光纤微孔内部实现光路导入与液体密封，拉锥光纤锥区直径仅为几十微米、长度较长，插入微孔过程中极易出现弯曲、折断、端面破损等问题，手工装配精度要求极高，批量生产成品率低下。同时，插入式结构会占用微孔内部有效流通截面，大幅增加流体传输阻力，当待测液体含有微小颗粒、生物大分子时，微孔堵塞显著，器件使用寿命短、检测稳定性差。

5、密封可靠性差、检测精度易受干扰。现有器件普遍采用紫外胶、环氧树脂等有机胶粘剂实现光纤与微孔、毛细管的固定与密封。胶粘剂长期浸泡在液体环境中易吸湿溶胀、老化开裂。同时，有机胶粘剂会持续释放小分子杂质，污染微量待测样本，极大影响生物医学、精密化学检测的结果准确性。

6、光路耦合质量差、检测解调精度低。传统结构多采用纤芯直通对准光路设计，入射光大量直接透射，无法形成有效双束干涉，同时，纤芯直通光路易引入光纤连接器、端面杂散反射，增大检测背景噪声，造成干涉光谱波谷深度不足，参数解调精度受限。

7、因此，亟需研发一种法珀微流腔传感装置。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于偏芯熔接暴露式法珀微流腔传感装置，解决传统器件易堵塞、密封失效、信号质量差、制备难度高、微量检测不足的问题，实现无胶密封、高对比度干涉、微量样本检测、结构一致性好、可批量生产的技术效果。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于偏芯熔接暴露式法珀微流腔传感装置，包括标准单模光纤、石英毛细管、边孔光纤、拉锥光纤，所述拉锥光纤由标准单模光纤拉锥截取而成，所述边孔光纤设置对称分布的第一微孔、第二微孔，所述拉锥光纤锥区直径大于第二微孔直径；

3、所述拉锥光纤第一端面与边孔光纤的第二微孔端口外侧端面熔接，熔接点位于边孔光纤端面外侧，拉锥光纤不伸入第二微孔内部，用直径略大的特点形成环形熔接区；

4、所述拉锥光纤预先套设于石英毛细管内部，所述边孔光纤端面与石英毛细管一端熔接固定；所述拉锥光纤第二端与标准单模光纤前端偏芯熔接，熔接区域仅覆盖标准单模光纤包层、避开纤芯，以防止破坏法珀干涉。

5、优选的，所述标准单模光纤前端面构成法珀干涉腔的第一反射面，所述石英毛细管与边孔光纤的熔接面构成法珀干涉腔的第二反射面，法珀干涉腔的腔长由拉锥光纤长度确定。

6、优选的，所述第一微孔为液体进液通道，待测液体依次流经第一微孔、石英毛细管内部，并从石英毛细管靠近标准单模光纤的一端排出。

7、优选的，所述边孔光纤为双孔对称结构光纤，整体长度为700~900μm，外径为125μm，所述第一微孔、第二微孔直径均为25~30μm。小的孔径可显著降低待测液体消耗量，实现微量进样，同时增强毛细驱动力，提高流速稳定性，微孔呈空间对称式分布，在保证微流顺畅通过的前提下，进一步优化了微量检测能力、熔接匹配性和信号稳定性。

8、优选的，所述拉锥光纤由标准单模光纤经过拉锥操作制成，保留拉锥长度约为500~600μm，该长度既保证了锥区直径从125μm平缓过渡至目标直径40~45μm（略大于边孔光纤微孔直径的30μm），避免因锥区直径过短导致熔接失败，又避免了锥区长度过长带来的机械脆弱性和制作难度增加。在此长度范围内，拉锥光纤具有足够的刚度和长度，便于在石英毛细管中穿入、定位以及与边孔光纤微孔端口和标准单模光纤进行两次熔接操作；同时，500~600μm的拉锥长度与后续石英毛细管的保留长度形成合理差值，确保拉锥光纤尾端能够自然暴露于毛细管之外，为后续熔接提供充足操作空间。

9、优选的，所述石英毛细管长度为300~350μm，其长度短于拉锥光纤长度，拉锥光纤第二端暴露于石英毛细管尾端外部。

10、优选的，所述石英毛细管外径为125μm，与标准单模光纤、边孔光纤外径匹配，使得三者能够实现良好的同轴对准与端面熔接，显著降低熔接时的偏移偏差和旋转失配风险；同时，相同外径允许使用标准的125微米光纤夹具、切割刀和熔接机程序进行加工，无需额外定制工装，大大简化了制作工艺并提高了熔接强度与重复性。优选的，所述标准单模光纤外径为125μm，纤芯内径为9μm，单模传输保证了干涉信号的高对比度；同时成熟的熔接工艺和广泛的商用适配性，大幅降低了制作与集成难度，也便于后续表面功能化修饰，从而在确保传感性能的前提下实现了低成本、高可靠性与可批量化的优势。

11、优选的，装置整体采用全熔接无胶粘剂密封结构，无有机胶填充层。

12、优选的，该装置的制备过程包括以下步骤：

13、s1、拉锥光纤制备：取标准单模光纤去除涂覆层，采用熔融拉锥工艺进行拉锥处理，待锥区端面直径达到40~45μm时停止拉锥，截取长度为500~600μm的锥体段，得到拉锥光纤；

14、s2、端面熔接密封：将边孔光纤固定于熔接工位，将拉锥光纤的第一端面对准第二微孔的端口外侧端面，保持同轴对齐后启动熔接，使拉锥光纤与边孔光纤端面熔接形成环绕第二微孔的环形熔接密封区；

15、s3、石英毛细管装配与切割：将熔接有拉锥光纤的边孔光纤组件穿入石英毛细管内，使拉锥光纤容纳于石英毛细管空腔中，将边孔光纤端面与石英毛细管一端对齐并熔接固定；熔接完成后切割石英毛细管，保留石英毛细管长度为300~350μm，使拉锥光纤的第二端暴露于石英毛细管尾端外部；

16、s4、偏芯熔接成型：将标准单模光纤固定于熔接工位，调整位置使拉锥光纤的暴露端面对准标准单模光纤的包层区域并避开纤芯，启动熔接程序完成偏芯熔接，得到完整的法珀微流腔传感装置。

17、优选的，该装置的检测方法包括以下步骤：

18、系统连接：将边孔光纤的第一微孔经微流管路连接微量注射泵，将石英毛细管的出液端连通至废液收集装置；

19、流体驱动：启动微量注射泵，待测液体在注射泵驱动力与毛细作用力共同作用下，从第一微孔进入器件内部，流经石英毛细管内腔后从尾端排出，使待测液体充盈石英毛细管内的法珀干涉腔区域；

20、干涉信号生成：向标准单模光纤中入射宽带探测光，探测光分别在标准单模光纤前端面、石英毛细管与边孔光纤的熔接面发生反射，两束反射光返回标准单模光纤中耦合，产生法珀干涉光谱；

21、参数检测：利用光谱解调设备实时采集法珀干涉光谱，待测液体替换腔内空气介质使干涉腔有效折射率发生变化，导致干涉光谱的特征波长产生漂移，通过解析特征波长的漂移量，反演得到待测液体的折射率或浓度参数。

22、因此，本发明采用上述一种基于偏芯熔接暴露式法珀微流腔传感装置，技术效果如下：

23、1）拉锥光纤与边孔光纤微孔端口外侧直接熔接，无需穿入微孔，避免了传统方案中拉锥光纤易折断、堵塞微孔的难题；

24、2）所有连接无需有机胶粘剂，耐腐蚀性强且无污染；标准单模光纤端面（第一反射面）与毛细管-边孔光纤熔接面（第二反射面）的反射率差异适中，可获得高对比度的法珀干涉条纹，便于后续信号解调；

25、3）边孔光纤采用小孔径对称微孔，所需液体量少，毛细驱动稳定，有利于微量样本检测；

26、4）各组件外径一致，同轴性好，制作简便，易于与标准光纤器件集成；

27、综上，该装置具有结构简单、密封可靠、腔长可调、信号质量高、适于微量检测及制作重复性好的综合优势。

28、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。