摘要: 研制出了一種采用微硅片對準技術和微硅片狹縫的新型微型分光光度計。采用MEMS 工藝制造出了體積小、精度高的微硅片對準機構和微硅片狹縫, 并且對其性能進行了分析和論證。同時對影響分光光度計線性度精度的樣品池的光學特性進行了分析, 推導出了透射光強與樣品池的折射率、被探測介質的折射率關系式, 并進一步分析因折射率引起光強的變化對吸光度的影響。實驗結果表明, 該微型分光光度計可以分辨出介質折射率相差0. 01 介質, 同時參比介質的不同僅僅對A-C 曲線產生平移, 而對相關系數(shù)和斜率無任何影響, 通過對實驗數(shù)據(jù)的計算得到以空氣和蒸餾水兩種折射率的介質為參比時的系統(tǒng)相關系數(shù)都大于0. 999, 說明所研制的基于MEMS 技術的微型分光光度計具有高度顯著線性相關性。

關 鍵 詞: 微硅片對準; 微硅片狹縫; 微型分光光度計; 微小型光纖光譜儀; 微光機電系統(tǒng)

引 言

分光光度計是一種重要的光譜分析儀器, 在物理學、化學、生物學、醫(yī)學、材料學、環(huán)境科學、化工、醫(yī)藥、環(huán)境檢測、冶金、高分子等方面都有廣泛的應用。該儀器集成了各學科領域的先進技術成果, 尤其是伴隨著MEMS 技術的飛速發(fā)展, 使得未來的儀器可以把微光學器件、微結構、微傳感器、微致動器、信號處理器等集成在一起, 能夠對外界的各種物理、化學、生物等各種信號進行實時采集、處理、操作和控制的智能化信息系統(tǒng)[ 1] 。微型分光光度計較傳統(tǒng)的大型的分光光度計具有體積小、攜帶方便、價格低, 易于家庭化普及等優(yōu)點,尤其U SB 接口的采用, 可以充分利用計算機的資源, 為微型分光光度計的遠程式、網絡化、無線操作、實時動態(tài)在線監(jiān)測、數(shù)據(jù)的共享等提供了廣闊的應用空間。在生物技術、生命科學突飛猛進的今天, 大量需要快速測量的任務涌現(xiàn)出來, 如酶動力學反應、生化過程研究等, 都為微型化分光光度計的發(fā)展提出了迫切的要求。微型分光光度計研制是在保證分辨精度、波長重復性、波長準確度的情況下[ 2] , 考慮系統(tǒng)的集成化、小型化, 同時還需要對吸光度線性度有更高的要求。本文結合MEMS 技術研制出了微硅片對準機構和采用微硅片狹縫微小型光譜儀, 并對樣品池的光學特性進行了一定的分析, 通過理論分析被測介質的折射率對透射光強的影響, 進一步測試和分析了折射率對透射強度、吸光度的影響。

2 系統(tǒng)的基本組成和關鍵技術分析

微型分光光度計是光、機、電、算一體化, 結合MEMS 工藝研制出的新型光電探測系統(tǒng)。本文中微型分光光度計采用的是后分光技術, 便于全光譜實時分析和雜散光的有效抑制。由于采用微硅片狹縫具有平直性好、窄寬一致性好等特點, 當強的復色信號光會聚于狹縫時, 背景光弱的很多。因此, 來自外界的背景光對測試結果影響很小, 在進行測試時可以不需遮光, 可以敞開樣品室進行開放式測量, 這給測量帶來了極大的方便, 同時也更適用于多樣品池、流動池的分析與測量[ 3] 。

2. 1 系統(tǒng)的構成和基本工作原理

系統(tǒng)的組成如圖1 所示, 可以分成四部分: 第一部分是光源耦合系統(tǒng), 主要是把鎢鹵燈或氘燈光源發(fā)出的光通過透鏡組, 耦合到光纖中。第二部分是樣品室分析系統(tǒng), 又稱微流體分析系統(tǒng), 通過微透鏡或自聚焦透鏡把光纖傳出的光進行準直, 使其近似平行地透過被分析樣品, 之后再經過透鏡耦合到光纖中。第三部分是光譜分析系統(tǒng),主要是把樣品池透射出來的光耦合到光譜分析系統(tǒng)中, 并進行準直、色散分光、成像、數(shù)據(jù)處理等。系統(tǒng)的工作原理是基于朗伯-比爾定律( Lamber t-Beer. s Law ) , 其表達式如下[ 4] :A = lo g ( I 0 / I t ) = EbC , ( 1)式中, A 為吸光度, I 0 為入射輻射強度、I t 為透過輻射強度, b 為吸收層厚度, C 為吸收物質的摩爾濃度, E為摩爾吸光系數(shù)。圖1 微型分光光度計的系統(tǒng)結構圖Fig. 1 Min-i spectro phot ometer sy stem

2. 2 有關MEMS 關鍵技術分析

2. 2. 1 采用MEMS 技術的微定位器微硅片具有體積小、精度高、易于批量化制作的特點, 采用微硅片進行定位是定位技術發(fā)展新方向之一。其原理是利用MEMS 精密加工技術在硅基底或其它材料基底上加工出定位槽。槽的形狀根據(jù)實際需要而定, 本系統(tǒng)中槽的形狀為V型, 可以限制光學元件的四個自由度, 僅剩光軸方向的移動和繞光軸方向的轉動兩個自由度, 前者可以用來調整光學元件之間的距離以達到最佳光學性能, 后者因光纖和透鏡為同軸光學系統(tǒng), 故沒有任何影響。MEMS 定位器的定位精度可以達到0. 1 Lm, 可滿足光學元件的定位要求。根據(jù)透射光譜的范圍要求, 對光纖和透鏡材料的選擇有一定的要求, 本系統(tǒng)中微透鏡材料選用熔融石英, 光纖選用U V-V IS 光纖, 其中前者的透射波長范圍為185 ~ 2 500 nm, 后者的透過的波長范圍為180 ~ 1 150 nm。圖2 是采用MEMS 技術的樣品室光探測系統(tǒng)的實物圖, 在

( a) 圖中, 兩端是光纖連接器, 可以是ST / FC/SMA 類型, 本系統(tǒng)中采用是高功率傳輸比的SMA905 連接器。( b) 圖中可以看出微硅片定位器的尺寸為32 mm @ 18 mm @ 1 mm, 中間孔的尺寸由所采用的樣品池的尺寸決定?？梢姴捎霉饫w、微透鏡和微硅片定位技術為核心的光探測系統(tǒng)為微流控芯片的發(fā)展提供了一個通用的平臺,利用這個平臺可以為微流控芯片提供一種非接觸的可靠分析方法。

( a) 樣品池光探測全體圖

( a) Whole view of the optical detectio n sy stem

( b) 樣品池光探測局部放大圖

( b) Par t view o f the o pt ical detection system

圖2 樣品池光探測系統(tǒng)Fig . 2 Mini sample o ptical detectio n sy stem

2. 2. 2 采用MEMS 技術的微型光纖光譜儀

微硅片狹縫是采用MEMS 技術加工出來的一體化超薄式狹縫[ 2] , 結構如圖3 所示。( a) 圖為微硅片狹縫的下表面圖, 放大倍率是37. 4 倍, 看出一體化的狹縫在低倍率掃描電鏡下是非常平直的縫隙; ( b) 圖是微硅片狹縫的正面視圖, 放大倍率是700 倍, 可以看出狹縫的兩個刀口的平直性和側面很好。光譜儀的光路[ 2] 采用Czerny-Turner 結構, 探測器采用的是陣列式探測器。

( a) 微硅片狹縫的下表面

( a) Under- sur face o f the m icro silico n slit

( b) 微硅片狹縫的刻蝕表面的正視圖

( b) U pper- surface of the micro silicon slit

圖3 微硅片狹縫Fig . 3 Micr o silicon slit

2. 2. 3 樣品池光探測和微型光纖光譜儀的組合比色杯可以用傳統(tǒng)的石英、玻璃材料, 也可以采用有機塑料, 例如PMMA、PDMS[ 5] , 本系統(tǒng)中

采用的PDMS 具有較高的生物兼容性和寬的波長透射范圍。圖4 是樣品池光探測系統(tǒng)和微光譜分析系統(tǒng)。其中微小型光纖光譜儀是把文獻[ 2] 提到的光譜儀和數(shù)據(jù)采集電路集成在一起, 其封裝尺寸為70 mm @ 53 mm @ 32 mm, 通過U SB 接口直接和計算機相連, 可以充分利用計算機的資源, 為微型分光光度計的遠程式、網絡化、無線操作、實時動態(tài)在線監(jiān)測、數(shù)據(jù)的共享等提供廣闊的應用空間。