基于激光背向散射干涉的微通道内液体温度检测技术

陈小红，张校亮，b，谭 慷，b，李晓春，b

(太原理工大学 a.物理与光电工程学院，新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室， b.生物医学工程学院，太原 030024)

温度对于生化反应和生化分析具有重要的影响[1-2]，因而高灵敏度的温度检测与传感技术显得尤为重要。随着微全分析系统技术的发展，在微全分析系统的微通道内进行生化反应和分析越来越普遍[3]，因此，微通道内液体温度的高灵敏度检测与传感技术成为人们关注的热点[1,4]。传统的热电偶、热电阻等接触式温度检测技术，具有简单可靠等优点，但因其传感元件需要与被测物体充分热交换，导致检测结果易产生温度滞后，传感元件与液体接触还会降低测温元件的寿命，并且不易集成到微通道中[5-6]；红外辐射、荧光测温、拉曼光谱测温等非接触温度检测技术不会对测温区域造成干扰，并具有无损、实时、可用于微尺度通道液体温度检测等优点，但红外辐射测温技术需要被测对象符合黑体模型[7]；荧光测温技术需要进行荧光标记并依赖于高精度的荧光光谱仪或荧光寿命探测器，且易出现光漂白现象[4,8-9]；拉曼光谱测温速度慢，信号弱，且易受到待测物质荧光的干扰[10]。

基于光学干涉原理的激光干涉测温技术是一种新型的温度检测和传感技术，具有灵敏度高、易集成、可远程监测等优点，因而引起了人们极大的研究兴趣[11-12]。例如，赵勇课题组提出了一种基于单模-多模-单模组合结构的反射式光纤温度传感器[11]，利用反射谱的波长移动以及界面上的菲涅耳反射测量液体的温度和折射率，其灵敏度分别为-92.6 pm/℃和-67.9 dB/RIU，该技术具有灵敏度高，操作方便，易携带等优点。WANG et al[12]利用基于光纤的混合法布里-珀罗干涉仪可以同时进行液体折射率和温度的检测，利用光纤腔的热光效应引起的折射率的变化来检测水温变化，检测灵敏度为10.85 pm/℃，分辨率为0.1 ℃.然而，上述温度检测技术均需要将温度探测部分置于待测液体中，仍属于接触式测温，并易对待测液体形成干扰。1995年，BORNHOP et al[13]将激光入射到通有待测液体的毛细管内，利用激光在毛细管内外界面多角度的反射和折射光形成干涉条纹，管内液体的折射率改变时，干涉条纹花样不变，但相对于初始干涉条纹位置有一定的移动，移动量与折射率变化有关，因而可实现管内液体折射率变化的高灵敏度检测[14-15]。该技术被形象地称为“背向散射干涉”(back-scattering interferometry，BSI)技术[13]，并用于抗原-抗体等分子间相互作用的检测[16-17]。由于液体具有热光效应[18]，当温度改变时其折射率会随温度不同而发生改变，因此，将液体的热光效应和BSI技术相结合可以实现微通道内液体温度及其变化的高灵敏度检测。

本文研究了一种基于液体热光效应和激光背向散射干涉(back-scattering interferometry，BSI)原理的非接触式光学温度检测技术。采用超纯水为样品，石英毛细管作为微通道，线阵CCD作为探测器记录激光背向散射干涉条纹信息，为提高检测准确度，利用快速傅里叶变换将干涉条纹移动信号转化为相位值变化量[16,19]。通过建立相位值与温度的关系，实现了温度的高灵敏度检测。

1 检测装置

检测装置如图1所示，由波长为532 nm的全固态激光器发出一束激光，激光束经过反射镜反射后入射到通有超纯水的石英毛细管(内径0.63 mm，外径2 mm)中。

图1 基于BSI和热光效应的温度检测装置示意图Fig.1 Schematic diagram of temperature detection system based on BSI and thermo-optic effect

激光经过毛细管内外界面的多次反射、折射，其中一部分反射和折射光镜经镜面反射至线阵CCD处并产生干涉条纹，由线阵CCD接收干涉条纹信号，并记录产生的干涉条纹信息。石英毛细管放置在固定板上，由温度控制系统设定并控制石英毛细管及其液体的温度。激光光斑直径约3.16 mm，因而管内液体探测体积约为1 μL.

在检测过程中，当毛细管内液体温度改变时，液体折射率会随之发生变化，因而线阵CCD处的干涉条纹会发生平移。由于干涉条纹及其移动量的检测准确度受限于CCD的像素大小以及干涉条纹的质量高低，因而往往难以准确检测，因此本文中将干涉条纹的光强-像素位置关系曲线进行快速傅里叶变换，获取光强曲线的相位值以及条纹移动时对应的相位值变化，并建立光强曲线的相位值与温度的关系，从而进行温度的检测。

2 实验部分

2.1 实验仪器

全固态激光器(长春新产业光电技术有限公司，MGL-III-532,100 mW)，石英毛细管(佰思特石英)，线阵CCD(THORLABS,LC100)，超纯水系统(Genpure UV,美国Thermo公司)，温控系统：温控器(THORLABS,TED200C)，半导体致冷器(THORLABS,TEC3-6)和温度传感器(THORLABS,AD590).

2.2 不同温度下的干涉条纹光强-像素位置曲线

如图2(a)所示，利用温控系统使得充有超纯水的毛细管分别处于不同的温度，由线阵CCD分别采集各个温度下的干涉条纹。其对应的干涉条纹的归一化光强-像素位置关系曲线相似，并随温度变化而发生明显平移。这是由于超纯水的热光效应，其温度改变时，折射率发生了改变，使得毛细管内外界面多角度的反射和折射光之间的光程差发生变化，从而引起了干涉条纹光强曲线的移动。由于图中光强曲线的峰和谷均具有一定宽度，因而采用像素数量难以准确计算干涉条纹的移动量。为提高检测准确度，将不同温度下干涉条纹的归一化光强-像素位置关系曲线进行快速傅里叶变换，可以得到各曲线变换后的相位、空间频率和幅值关系。如图2(b)所示，

图2 不同温度下的BSI信号及处理Fig.2 BSI signal and processing at different temperatures

当毛细管及超纯水处于不同温度时，干涉条纹的主要空间频率保持不变，而其对应的相位值发生了改变，例如，当温度从25.00 ℃升至25.80 ℃时，对应的相位值从2.989 8 rad变为4.444 3 rad，这说明干涉条纹的花样未发生变化，只是发生平移，因而可以采用BSI信号的相位值作为检测量[19]。

3 结果与讨论

3.1 温度与BSI信号关系

图3为不同温度下，BSI相位值随时间的变化关系。初始温度为25.00 ℃，利用温控系统每10 min将毛细管及管内超纯水温度提高0.20 ℃，可以看到对应的BSI相位值也随之增加。在温度设定的初始阶段，BSI相位值快速增加并出现较大波动，这是由于在设定温度的初始阶段，温度控制系统使得毛细管和管内超纯水快速升温，因而折射率快速变化，而使得毛细管、管内超纯水和毛细管周围局部环境均达到设定温度以及热平衡需要一定的时间，在此过程中毛细管和内部液体温度会有一定波动。从图中可以看到每次改变设定温度2～3 min后，毛细管、管内超纯水和毛细管周围局部环境温度达到平衡，并均稳定在设定值，BSI相位值也趋于稳定，利用稳定后的BSI相位值作为采集的BSI信号，建立BSI相位值-温度关系曲线。

图3 不同温度下BSI相位值信号随时间的变化Fig.3 BSI phase value signal changes with time at different temperatures

如图4所示，BSI相位值随温度升高而增加，当温度从25.00 ℃升高至27.40 ℃时，BSI相位值从2.989 8 rad增至7.138 6 rad，并且BSI相位值与温度之间呈现良好的线性关系，所得线性拟合方程为y=1.741 3x-40.511 9，其线性相关系数R2为0.999，斜率k为1.741 3 rad/℃.由于水的热光系数dn/dT约为1×10-4RIU/℃，而毛细管的热光系数约为1×10-5RIU/℃，远小于水的热光系数[20]，因而可以认为BSI信号变化主要归因于温度改变时毛细管内水的折射率变化。从图4插图中还可以看到BSI相位值信号具有一定的噪音，并在2.98～2.99 rad之间波动，计算得到其对应的标准差σ为0.003 rad，根据2σ原则[20]，对应的温度分辨率为2σ/k=0.003 ℃.此处的BSI相位值噪音波动主要来源于两方面，一是搭建的检测系统本身的微小震动以及线阵CCD的背景噪音等因素；二是受限于温度控制器的性能和温度控制精度，毛细管、管内超纯水和毛细管周围局部环境处于设定温度及热平衡期间，温度控制器也可能会引起温度的动态小幅波动。

图4 BSI相位值信号与温度的关系Fig.4 BSI phase value signal and temperature

3.2 温度检测的重复性

为了观察该检测技术对温度检测的重复性，将毛细管微通道的设定温度分别在25.00 ℃和25.20 ℃之间进行重复切换，每个温度保持10 min，各重复3次，所得BSI相位值信号随时间变化如图5所示。从图5中可以看到，升温以及降温切换的初始阶段，BSI相位值均发生较大波动，约3 min后趋于稳定。这种波动也说明了本文中的基于BSI和热光效应的温度检测方法具有快速、实时的优点。

根据稳定后的BSI相位值得到毛细管内超纯水的温度，在25.00 ℃时3次检测结果所得标准偏差σ为0.7%，25.20 ℃，标准偏差σ为2.2%，这表明所得的温度检测结果具有良好的重复性，该技术可以用于透明微通道内液体温度的快速、实时、非接触式检测及传感。由于激光光斑直径约3.16 mm，激光探测的管内液体体积约为1 μL，减小毛细管的直径或者将毛细管改为常见的聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)透明微流控通道可进一步将管内液体体积减小至nL甚至pL量级[16]。此外，由于大部分液体均具有一定的热光效应，因而该检测方法也具有普适性，可用于缓冲液、反应液温度检测等[18,20]。

4 结论

本文研究了一种基于液体热光效应和激光背向散射干涉原理的微通道内液体温度检测技术。根据液体温度变化引起的激光干涉条纹移动，进行微通道内液体温度的定量检测。以毛细管内超纯水为例验证了该技术的准确性和可行性，所得温度分辨率为0.003 ℃，探测体积约为1 μL.减小毛细管的直径，或者将毛细管改为透明的PDMS微流控通道可进一步将液体的探测体积减小至nL甚至pL量级。此外，由于大部分液体均具有一定的热光效应，因而该检测方法也具有普适性，可用于缓冲液、反应液等温度检测，并具有快速、实时、高灵敏度、非接触等优点。