摘要: 研制出了一种采用微硅片对准技术和微硅片狭缝的新型微型分光光度计。采用MEMS 工艺制造出了体积小、精度高的微硅片对准机构和微硅片狭缝, 并且对其性能进行了分析和论证。同时对影响分光光度计线性度精度的样品池的光学特性进行了分析, 推导出了透射光强与样品池的折射率、被探测介质的折射率关系式, 并进一步分析因折射率引起光强的变化对吸光度的影响。实验结果表明, 该微型分光光度计可以分辨出介质折射率相差0. 01 介质, 同时参比介质的不同仅仅对A-C 曲线产生平移, 而对相关系数和斜率无任何影响, 通过对实验数据的计算得到以空气和蒸馏水两种折射率的介质为参比时的系统相关系数都大于0. 999, 说明所研制的基于MEMS 技术的微型分光光度计具有高度显著线性相关性。

关 键 词: 微硅片对准; 微硅片狭缝; 微型分光光度计; 微小型光纤光谱仪; 微光机电系统

引 言

分光光度计是一种重要的光谱分析仪器, 在物理学、化学、生物学、医学、材料学、环境科学、化工、医药、环境检测、冶金、高分子等方面都有广泛的应用。该仪器集成了各学科领域的先进技术成果, 尤其是伴随着MEMS 技术的飞速发展, 使得未来的仪器可以把微光学器件、微结构、微传感器、微致动器、信号处理器等集成在一起, 能够对外界的各种物理、化学、生物等各种信号进行实时采集、处理、操作和控制的智能化信息系统[ 1] 。微型分光光度计较传统的大型的分光光度计具有体积小、携带方便、价格低, 易于家庭化普及等优点,尤其U SB 接口的采用, 可以充分利用计算机的资源, 为微型分光光度计的远程式、网络化、无线操作、实时动态在线监测、数据的共享等提供了广阔的应用空间。在生物技术、生命科学突飞猛进的今天, 大量需要快速测量的任务涌现出来, 如酶动力学反应、生化过程研究等, 都为微型化分光光度计的发展提出了迫切的要求。微型分光光度计研制是在保证分辨精度、波长重复性、波长准确度的情况下[ 2] , 考虑系统的集成化、小型化, 同时还需要对吸光度线性度有更高的要求。本文结合MEMS 技术研制出了微硅片对准机构和采用微硅片狭缝微小型光谱仪, 并对样品池的光学特性进行了一定的分析, 通过理论分析被测介质的折射率对透射光强的影响, 进一步测试和分析了折射率对透射强度、吸光度的影响。

2 系统的基本组成和关键技术分析

微型分光光度计是光、机、电、算一体化, 结合MEMS 工艺研制出的新型光电探测系统。本文中微型分光光度计采用的是后分光技术, 便于全光谱实时分析和杂散光的有效抑制。由于采用微硅片狭缝具有平直性好、窄宽一致性好等特点, 当强的复色信号光会聚于狭缝时, 背景光弱的很多。因此, 来自外界的背景光对测试结果影响很小, 在进行测试时可以不需遮光, 可以敞开样品室进行开放式测量, 这给测量带来了极大的方便, 同时也更适用于多样品池、流动池的分析与测量[ 3] 。

2. 1 系统的构成和基本工作原理

系统的组成如图1 所示, 可以分成四部分: 第一部分是光源耦合系统, 主要是把钨卤灯或氘灯光源发出的光通过透镜组, 耦合到光纤中。第二部分是样品室分析系统, 又称微流体分析系统, 通过微透镜或自聚焦透镜把光纤传出的光进行准直, 使其近似平行地透过被分析样品, 之后再经过透镜耦合到光纤中。第三部分是光谱分析系统,主要是把样品池透射出来的光耦合到光谱分析系统中, 并进行准直、色散分光、成像、数据处理等。系统的工作原理是基于朗伯-比尔定律( Lamber t-Beer. s Law ) , 其表达式如下[ 4] :A = lo g ( I 0 / I t ) = EbC , ( 1)式中, A 为吸光度, I 0 为入射辐射强度、I t 为透过辐射强度, b 为吸收层厚度, C 为吸收物质的摩尔浓度, E为摩尔吸光系数。图1 微型分光光度计的系统结构图Fig. 1 Min-i spectro phot ometer sy stem

2. 2 有关MEMS 关键技术分析

2. 2. 1 采用MEMS 技术的微定位器微硅片具有体积小、精度高、易于批量化制作的特点, 采用微硅片进行定位是定位技术发展新方向之一。其原理是利用MEMS 精密加工技术在硅基底或其它材料基底上加工出定位槽。槽的形状根据实际需要而定, 本系统中槽的形状为V型, 可以限制光学元件的四个自由度, 仅剩光轴方向的移动和绕光轴方向的转动两个自由度, 前者可以用来调整光学元件之间的距离以达到最佳光学性能, 后者因光纤和透镜为同轴光学系统, 故没有任何影响。MEMS 定位器的定位精度可以达到0. 1 Lm, 可满足光学元件的定位要求。根据透射光谱的范围要求, 对光纤和透镜材料的选择有一定的要求, 本系统中微透镜材料选用熔融石英, 光纤选用U V-V IS 光纤, 其中前者的透射波长范围为185 ~ 2 500 nm, 后者的透过的波长范围为180 ~ 1 150 nm。图2 是采用MEMS 技术的样品室光探测系统的实物图, 在

( a) 图中, 两端是光纤连接器, 可以是ST / FC/SMA 类型, 本系统中采用是高功率传输比的SMA905 连接器。( b) 图中可以看出微硅片定位器的尺寸为32 mm @ 18 mm @ 1 mm, 中间孔的尺寸由所采用的样品池的尺寸决定。可见采用光纤、微透镜和微硅片定位技术为核心的光探测系统为微流控芯片的发展提供了一个通用的平台,利用这个平台可以为微流控芯片提供一种非接触的可靠分析方法。

( a) 样品池光探测全体图

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

( b) 样品池光探测局部放大图

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

图2 样品池光探测系统Fig . 2 Mini sample o ptical detectio n sy stem

2. 2. 2 采用MEMS 技术的微型光纤光谱仪

微硅片狭缝是采用MEMS 技术加工出来的一体化超薄式狭缝[ 2] , 结构如图3 所示。( a) 图为微硅片狭缝的下表面图, 放大倍率是37. 4 倍, 看出一体化的狭缝在低倍率扫描电镜下是非常平直的缝隙; ( b) 图是微硅片狭缝的正面视图, 放大倍率是700 倍, 可以看出狭缝的两个刀口的平直性和侧面很好。光谱仪的光路[ 2] 采用Czerny-Turner 结构, 探测器采用的是阵列式探测器。

( a) 微硅片狭缝的下表面

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

( b) 微硅片狭缝的刻蚀表面的正视图

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

图3 微硅片狭缝Fig . 3 Micr o silicon slit

2. 2. 3 样品池光探测和微型光纤光谱仪的组合比色杯可以用传统的石英、玻璃材料, 也可以采用有机塑料, 例如PMMA、PDMS[ 5] , 本系统中

采用的PDMS 具有较高的生物兼容性和宽的波长透射范围。图4 是样品池光探测系统和微光谱分析系统。其中微小型光纤光谱仪是把文献[ 2] 提到的光谱仪和数据采集电路集成在一起, 其封装尺寸为70 mm @ 53 mm @ 32 mm, 通过U SB 接口直接和计算机相连, 可以充分利用计算机的资源, 为微型分光光度计的远程式、网络化、无线操作、实时动态在线监测、数据的共享等提供广阔的应用空间。