液滴微流控技术是近年来在传统微流控技术基础上发展起来的新技术，主要研究微米尺度的液滴生成、操控以及检测分析等，在化学、生物、医学等领域有着十分广泛的应用。随着液滴微流控技术的提升，液滴体积不断缩小，生成速度不断增大，以及精准定量对液滴尺寸检测的要求不断提高，使得传统成像检测系统在检测液滴尺寸方面面临巨大挑战。光学检测具有无损、快速和灵敏度高等优势，可提升液滴检测效率以及检测精度，而使用光纤作为检测部分能提升光能利用率，提高空间自由度和抗干扰能力。本文采用光纤作为检测模块设计出一套高速液滴尺寸检测系统，并使用Light Tools软件对系统进行模拟仿真。通过设计3组不同尺寸的液滴，记录液滴位置改变引起的光强变化，描绘出光强变化曲线，从光强曲线中计算液滴直径，液滴尺寸越大，曲线变化范围越大。通过模拟仿真，验证系统的可行性和合理性，这对在现实中检测高速液滴尺寸具有一定的参考意义。
1 光学系统组成
本文设计的微流控液滴尺寸检测系统主要包括光源、耦合器、光纤、微流控芯片和探测器等几个模块。光源发出的光经由耦合器耦合到传输光纤中，传输光纤另一端接入微流控芯片，从传输光纤出射的光照射到液滴上。由于样品与鞘液的折射率不同，出射光将发生偏折，再经光纤收集传输到光电探测器中。当液滴流经光纤检测端口时，光电探测器就会接收到光强的变化。
2 液滴尺寸的测量原理
如图2所示，两球的位置分别是液滴刚刚进入和离开光束的位置，此时探测器接收到的光强与液滴处于光束中的光强是不相同的，因此，通过读出光强曲线中前后光强变化的横坐标差|△d|，便可根据公式|△d|=2r+D计算出液滴半径，式中r为液滴半径，D为纤芯直径。由于光线经由光纤传输后的发散角小，而且光纤出射端距离微管道很近，光束直径与纤芯近似相等。
图2 实验原理图
3 系统模型建立
3.1 光源及光纤耦合的模型建立
激光具有很好的相干性、单色性和方向性，其中半导体激光器具有成本低、体积小、重量轻和寿命长等优点，非常适合作为光学检测系统的光源。在Light Tools软件中建立激光器模型，设置参数如下：光面直径为0.80mm，光通量为1 Lumen（流明），辐射功率为1.471uW，出射光为平行光。
光纤作为光传输媒介，具有抗干扰能力强和空间自由度高等优点，而且光纤的纤芯直径很小，小至几十微米甚至几个微米，与液滴的尺寸大小相当，非常适用于微流控光学检测系统。在Light Tools软件中建立光纤模型，设置光纤纤芯直径是0.105mm，折射率为1.5，而包层直径是0.125mm，折射率为1.45，通过计算得到光纤的数值孔径NA值为0.38。
为了提高光纤耦合效率，要求光纤的数值孔径要与耦合器的数值孔径基本一致。本系统采用Thorlabs透镜库中的非球面透镜A397作为耦合器，该透镜数值孔径值为0.30，焦距为11mm。把光纤端面置于透镜焦点处，可使光纤的耦合效率达到90%以上，满足耦合要求。其模型如图3所示：
3.2 微流控芯片及液滴模型的建立
液滴微流控技术是在微流控芯片中生成直径为几十微米的液滴，其原理是：芯片中互不相溶的鞘液流和样品流在表面张力和剪切力的共同作用下，会在十字口交点处发生断裂而生成稳定有序的液滴，用鞘流压缩样品流，可使液滴始终处于管道的中心位置。微流控芯片的结构示意图如图4（a）所示，其中A是鞘液流入口通道，B是样品流入口通道，C是废液出口通道。在D通道和E通道分别接入光纤，对生成的液滴进行检测。在Light Tools软件中建立管道模型以及液滴模型，如图4（b）所示，原点处是鞘液包裹样品形成的液滴，形状为球状。利用Light Tools软件中的浸没管理器，把样品设置成浸没在鞘液中。样品设置为水，折射率是1.33；鞘流设置为氟油，折射率是1.29。模拟三种尺寸的液滴，直径分别为0.10mm，0.12mm和0.14mm。
3.3 检测单元模型的建立
探测器采用光电二极管，在Light Tools软件中建立光纤探测模型，探测器中心位于光轴处，有效面积为Ø1mm，位置放在光纤出口后2mm处，光线经过光纤后全部被探测器接收，如图5所示：
图5 光电二极管模型
4 仿真结果与分析
利用Light Tools软件的光线追迹功能，对液滴处于不同位置引起探测器的光强变化进行模拟仿真。把光轴设置为与二维坐标Y轴重合，通过改变液滴球心的x轴坐标位置，模拟液滴在管道中的运动，记录每一次位置改变后探测器靶面接收到的光强变化，用OriginPro软件绘制光强变化曲线，如图6所示：
图6 3组仿真实验的光强曲线
由图6分别读出3组仿真实验中光强发生变化的起点和终点横坐标，并记录下来。根据得到的横坐标值分别计算出|△d|，与理论值对比，计算出误差值，结果如表1所示。由于采样点有限，采样间距对判断光强变化的实际起点和终点有一定的误差，所得的误差均少于3%理论误差范围内，说明该系统可定量分析出液滴实际尺寸。
表1 液滴仿真实验结果
| 仿真组号 | |△d|（mm） | 液滴直径2r（mm） | 纤芯直径D（mm） | 理论值2r+d（mm） | 误差值 |
| 第一组 | 0.19982 | 0.10 | 0.105 | 0.205 | 2.53% |
| 第二组 | 0.21922 | 0.12 | 0.105 | 0.225 | 2.57% |
| 第3组 | 0.24056 | 0.14 | 0.105 | 0.245 | 1.81% |
5 结语
本文利用光纤设计了一套高速液滴尺寸检测系统，通过检测折射光的方法，解决了传统成像检测方法在检测高速液滴尺寸方面所面临的困难。使用Light Tools软件对光学系统进行模拟仿真，设计3组不同尺寸的液滴，绘制随液滴位置移动的光强变化曲线。从光强-位置变化曲线中计算出液滴尺寸，与液滴的理论值相比误差在3%以下，验证了系统的有可行性和合理性，该系统能为分析液滴尺寸提供实验指导。
参考文献
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收稿日期：2017-09-22 作者简介：何冠楠（1993-），男，广东顺德人，广东工业大学硕士研究生，研究方向：机械工程。
