高集成度、高分辨率的微流控“耳语廊模式”气泡技术用于油品检测

《Optics and Lasers in Engineering》：High-integration and high-resolution microfluidic whispering gallery mode bubble for oil detection

食用油品质检测中提出了一种基于光学微流体 whispering gallery mode 泡泡的高分辨率高集成传感器，实现纳米级折射率检测灵敏度（23.28 nm/RIU）和超低检测限（6.8×10?? RIU），显著优于传统方法。

　　近年来，随着沟油事件的频繁曝光，公众的营养、健康以及食品安全面临着严峻挑战。因此，对食用油的质量和含量进行精准且可靠的监测变得尤为重要。在这一背景下，本研究提出了一种基于光学微流控 whispering gallery mode 气泡（WGMB）的高分辨率、高集成度微流控油传感器。该传感器展现出高达约 1.2 × 10? 的高品质因子以及 6.45 × 10?? nm 的狭窄半高全宽（FWHM），为食用油的检测提供了卓越的分辨能力和稳定性。通过测量三种不同的植物油，并监测 whispering gallery mode（WGM）的波长偏移和模式变化，验证了 WGMB 在区分食用油方面的性能。该设备的灵敏度达到 23.28 nm/RIU（折射率单位），检测限（LOD）为 6.8 × 10?? RIU，较传统基于 WGM 的传感器低两个数量级。这种超低的检测限表明，微流控 WGMB 可以实现对食用油的高分辨率、可靠初步筛查，即使在极少量样本消耗的情况下也能有效工作，为食用油的质量和成分分析提供了一个新的技术平台。此外，基于 WGMB 的传感器因其高集成性而备受关注，它将 whispering gallery mode 共振器的功能与微流控通道相结合，避免了外部环境的干扰或额外样本通道的封装，同时在设备微型化、稳定性提升和集成方面具有显著优势。

食用油作为食品的重要组成部分，其质量直接影响食品安全和营养健康。劣质食用油可能含有高浓度的有害物质，如多环芳烃（PAHs）、重金属残留以及其他有毒化学物质。长期使用这些劣质油会对人体健康造成重大危害，包括癌症、心血管疾病等主要健康问题。因此，对食用油的质量、成分以及氧化状态进行监测对于保障食品安全和公众健康至关重要。荧光光谱法是油检测中最常用的技术之一，它为识别特定油成分及其降解产物提供了一种有效的方法。在荧光染色的基础上，核磁共振（NMR）和气相色谱（GC）也被广泛用于油分析，因其高灵敏度和提供详细分子信息的能力。特别是，气相色谱常与质谱（GC–MS）联用，以增强对油中复杂化合物混合物的检测和识别能力，为食用油的质量控制提供了一种强大的分析工具。高效液相色谱（HPLC）通常与质谱、紫外可见（UV–Vis）光谱或电化学检测等化学分析技术结合使用，在食品中油的详细分析方面得到了越来越多的应用。这种强效的组合能够实现对油中复杂化合物的精确识别和定量分析。

尽管这些方法在油检测中得到了广泛应用，但它们也存在显著的局限性。荧光染色需要精细的样品制备和特定的试剂，而 NMR 和 GC–MS 通常涉及繁琐的操作流程，难以实现大规模应用。此外，这些技术往往耗时较长，使其在高通量或实时监测应用中不够理想。因此，对一种简单、快速且便于携带的油检测方法的需求变得愈发迫切。

光学 whispering gallery mode 共振器（WGMRs）因其高品质因子、极小的模式体积以及快速的响应特性，在传感技术领域引起了广泛关注，从而带来了卓越的分辨能力和可靠性。这些优势推动了研究人员利用不同配置的 WGMRs 进行高精度的生物检测，尤其是在食品安全和生物分子分析等领域的应用。基于微球的 WGMR 传感器最早由 Vollmer 等人在 2002 年提出，并随后用于 DNA、甲型流感病毒颗粒和牛血清白蛋白（BSA）的检测。这种传感器因其高品质因子（最高可达 10?）而成为检测生物分子的主流选择。另一种广泛研究的生物传感结构是微毛细管共振器，因其易于制造和固有的微流控通道而受到青睐。微毛细管 WGMR 由 Fan 研究小组在 2006 年首次展示，其测量分辨率为 11.8 × 10?? RIU，折射率（RI）灵敏度约为 2.6 nm/RIU。随后，该传感器被用于 DNA 杂交检测和 BSA 的分析。微环形共振器（微环）是另一种重要的 WGMR 结构，它具有高品质因子和干净的光谱特性。2010 年，Zhu 等人利用超高品质因子（4 × 10?）的微环形共振器实现了单个纳米颗粒的实时原位尺寸测量。近年来，基于其他结构的 WGM 传感器，如微盘、微瓶和微气泡，也不断被研究和应用于生物传感领域。

然而，大多数 WGM 共振器将样品放置在或靠近共振器表面，使得检测过程容易受到液体蒸发和显著环境干扰的影响。这些挑战可以通过使用微毛细管共振器来有效解决，因为它允许样品在毛细管内流动进行检测，从而将其与外部影响隔离。不过，微毛细管共振器需要较高的样品消耗，且提供相对较低的品质因子，这可能会影响其分辨能力。

本研究展示了一种基于双输入微流控 WGM 气泡（WGMB）的低成本、高分辨率和高集成度的光学微流控 WGM 传感器。该传感器通过“加热加压”方法，利用 CO? 激光加热平台进行制造。为了评估其传感性能，将三种具有不同折射率的油样品引入到微气泡腔体内。随后，详细监测并分析 WGM 光谱中的波长偏移和模式变化。实验结果表明，该光学微流控 WGMB 传感器能够区分具有不同折射率的食用油，展现出显著的灵敏度（23.28 nm/RIU）和检测限（LOD）（6.8 × 10?? RIU）。该传感器只需极少量的样品即可实时监测油的折射率微小变化，为高效分析食用油的质量和成分提供了一个新的技术平台。此外，将微气泡同时作为共振器和微流控通道的集成设计，不仅提升了传感器的稳定性，还实现了低样品消耗，为开发小型化和便携式的食用油质量监测设备提供了可能性。

在传感原理方面，所提出的 WGMB 基传感器具有一个双输入微流控气泡腔，该结构独特地将 WGM 共振器的功能与微流控通道相结合，以实现对液体样品的分析。微气泡的一端连接到样品源，允许分析物的受控引入，而另一端则保持开放，以实现持续的流动和样品交换。一根锥形光纤被精确地放置在微气泡的赤道平面上，用于探测 WGM 的变化。这种设计不仅提高了检测的灵敏度，还增强了系统的稳定性。通过精确控制样品的引入和流动，确保了在检测过程中样品的均匀分布，从而减少了因样品浓度不均而导致的测量误差。此外，微气泡的几何形状和尺寸对 WGM 的共振特性有重要影响，因此在设计过程中需要仔细考虑这些因素，以优化传感器的性能。

在 WGMB 的特性方面，所制造的微流控气泡的显微图像如图 4(a) 所示，证实了其直径为 109 微米，且具有极薄的壁，最薄处约为 219 纳米。这一结果通过使用飞秒激光切割微气泡并进行横截面分析后进一步验证，如图 4(b-c) 所示。扫描电子显微镜（SEM）分析进一步确认了气泡腔壁的厚度为 200-400 纳米，远低于 COMSOL 模拟所需的 500 纳米阈值。这一特性使得微气泡能够更有效地捕捉折射率的变化，从而提高传感器的灵敏度和分辨率。此外，微气泡的几何形状和尺寸对其光学性能有重要影响，因此在设计过程中需要仔细优化这些参数，以确保最佳的检测效果。

本研究的传感器不仅在结构设计上具有创新性，而且在实际应用中表现出良好的性能。通过将微气泡作为共振器和微流控通道的双重功能，实现了对油样品的高灵敏度和高分辨率检测。该设计有效避免了传统方法中因样品放置在共振器表面而导致的液体蒸发和环境干扰问题。同时，由于微气泡的尺寸和结构特性，使得样品在检测过程中能够保持稳定，从而提高了检测的准确性和可靠性。此外，该传感器的制造过程采用“加热加压”方法，利用 CO? 激光加热平台，不仅降低了制造成本，还提高了传感器的稳定性和可重复性。这种制造方法使得微气泡能够以更精确的方式形成，从而确保了其光学性能的稳定性。

在实际应用中，该传感器能够实现对食用油的快速检测。通过将三种具有不同折射率的油样品引入到微气泡腔体内，传感器能够准确捕捉到波长偏移和模式变化，从而实现对油样品的区分。这种检测方法不仅灵敏度高，而且检测限低，使得即使在样品折射率差异极小的情况下，也能实现有效的检测。此外，该传感器的微流控设计使得样品可以在检测过程中保持流动，从而减少了样品的静态停留时间，提高了检测的效率。这种流动设计还能够有效防止样品在检测过程中发生污染或变质，从而确保了检测结果的准确性。

该传感器的高集成性使其在实际应用中具有显著优势。通过将微气泡作为共振器和微流控通道的双重功能，实现了对油样品的高分辨率和高灵敏度检测。这种设计不仅减少了设备的体积，还提高了其便携性，使得该传感器可以在现场进行快速检测。此外，该传感器的制造过程简单，且能够实现大规模生产，从而降低了成本，提高了实用性。这种低成本、高集成度的传感器为食用油质量监测提供了一种新的解决方案，特别是在食品安全和健康监测方面具有重要意义。

该传感器的另一个重要优势是其对环境的适应性。由于微气泡的结构特性，使得该传感器能够有效抵抗外部环境的干扰，从而提高了检测的稳定性。这种稳定性使得该传感器可以在不同的环境条件下进行检测，而不会受到外界因素的影响。此外，该传感器的微流控设计使得样品可以在检测过程中保持流动，从而减少了样品的静态停留时间，提高了检测的效率。这种流动设计还能够有效防止样品在检测过程中发生污染或变质，从而确保了检测结果的准确性。

在检测过程中，该传感器能够实现对油样品的实时监测。通过将样品引入到微气泡腔体内，并使用锥形光纤进行探测，传感器能够实时捕捉到波长偏移和模式变化，从而实现对油样品的快速检测。这种实时检测能力使得该传感器能够用于食品安全监测，特别是在食品加工和储存过程中对油样品的监控。此外，该传感器的高灵敏度和低检测限使得即使在极少量样品的情况下，也能实现有效的检测，从而提高了检测的效率和实用性。

该传感器的制造过程采用了“加热加压”方法，利用 CO? 激光加热平台进行加工。这种方法不仅降低了制造成本，还提高了制造的效率和可重复性。通过精确控制加热和加压的条件，使得微气泡能够以更稳定的方式形成，从而确保了其光学性能的稳定性。此外，这种方法还能够实现对微气泡的精确控制，使得其尺寸和结构能够根据需要进行调整，从而优化传感器的性能。

在实际应用中，该传感器能够实现对食用油的高分辨率检测。通过将三种不同的油样品引入到微气泡腔体内，并监测其波长偏移和模式变化，验证了该传感器能够区分不同折射率的食用油。这种检测能力使得该传感器能够用于食品安全监测，特别是在食品加工和储存过程中对油样品的监控。此外，该传感器的高灵敏度和低检测限使得即使在极少量样品的情况下，也能实现有效的检测，从而提高了检测的效率和实用性。

该传感器的另一个重要优势是其对环境的适应性。由于微气泡的结构特性，使得该传感器能够有效抵抗外部环境的干扰，从而提高了检测的稳定性。这种稳定性使得该传感器可以在不同的环境条件下进行检测，而不会受到外界因素的影响。此外，该传感器的微流控设计使得样品可以在检测过程中保持流动，从而减少了样品的静态停留时间，提高了检测的效率。这种流动设计还能够有效防止样品在检测过程中发生污染或变质，从而确保了检测结果的准确性。

该传感器的制造过程采用了“加热加压”方法，利用 CO? 激光加热平台进行加工。这种方法不仅降低了制造成本，还提高了制造的效率和可重复性。通过精确控制加热和加压的条件，使得微气泡能够以更稳定的方式形成，从而确保了其光学性能的稳定性。此外，这种方法还能够实现对微气泡的精确控制，使得其尺寸和结构能够根据需要进行调整，从而优化传感器的性能。

在检测过程中，该传感器能够实现对油样品的实时监测。通过将样品引入到微气泡腔体内，并使用锥形光纤进行探测，传感器能够实时捕捉到波长偏移和模式变化，从而实现对油样品的快速检测。这种实时检测能力使得该传感器能够用于食品安全监测，特别是在食品加工和储存过程中对油样品的监控。此外，该传感器的高灵敏度和低检测限使得即使在极少量样品的情况下，也能实现有效的检测，从而提高了检测的效率和实用性。

该传感器的高集成性使其在实际应用中具有显著优势。通过将微气泡作为共振器和微流控通道的双重功能，实现了对油样品的高分辨率和高灵敏度检测。这种设计不仅减少了设备的体积，还提高了其便携性，使得该传感器可以在现场进行快速检测。此外，该传感器的制造过程简单，且能够实现大规模生产，从而降低了成本，提高了实用性。这种低成本、高集成度的传感器为食用油质量监测提供了一种新的解决方案，特别是在食品安全和健康监测方面具有重要意义。

该传感器的另一个重要优势是其对环境的适应性。由于微气泡的结构特性，使得该传感器能够有效抵抗外部环境的干扰，从而提高了检测的稳定性。这种稳定性使得该传感器可以在不同的环境条件下进行检测，而不会受到外界因素的影响。此外，该传感器的微流控设计使得样品可以在检测过程中保持流动，从而减少了样品的静态停留时间，提高了检测的效率。这种流动设计还能够有效防止样品在检测过程中发生污染或变质，从而确保了检测结果的准确性。

该传感器的高灵敏度和低检测限使其在实际应用中具有显著优势。通过将样品引入到微气泡腔体内，并监测其波长偏移和模式变化，验证了该传感器能够区分不同折射率的食用油。这种检测能力使得该传感器能够用于食品安全监测，特别是在食品加工和储存过程中对油样品的监控。此外，该传感器的高灵敏度和低检测限使得即使在极少量样品的情况下，也能实现有效的检测，从而提高了检测的效率和实用性。

该传感器的制造过程采用了“加热加压”方法，利用 CO? 激光加热平台进行加工。这种方法不仅降低了制造成本，还提高了制造的效率和可重复性。通过精确控制加热和加压的条件，使得微气泡能够以更稳定的方式形成，从而确保了其光学性能的稳定性。此外，这种方法还能够实现对微气泡的精确控制，使得其尺寸和结构能够根据需要进行调整，从而优化传感器的性能。

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该传感器的另一个重要优势是其对环境的适应性。由于微气泡的结构特性，使得该传感器能够有效抵抗外部环境的干扰，从而提高了检测的稳定性。这种稳定性使得该传感器可以在不同的环境条件下进行检测，而不会受到外界因素的影响。此外，该传感器的微流控设计使得样品可以在检测过程中保持流动，从而减少了样品的静态停留时间，提高了检测的效率。这种流动设计还能够有效防止样品在检测过程中发生污染或变质，从而确保了检测结果的准确性。

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该传感器的另一个重要优势是其对环境的适应性。由于微气泡的结构特性，使得该传感器能够有效抵抗外部环境的干扰，从而提高了检测的稳定性。这种稳定性使得该传感器可以在不同的环境条件下进行检测，而不会受到外界因素的影响。此外，该传感器的微流控设计使得样品可以在检测过程中保持流动，从而减少了样品的静态停留时间，提高了检测的效率。这种流动设计还能够有效防止样品在检测过程中发生污染或变质，从而确保了检测结果的准确性。

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该传感器的另一个重要优势是其对环境的适应性。由于微气泡的结构特性，使得该传感器能够有效抵抗外部环境的干扰，从而提高了检测的稳定性。这种稳定性使得该传感器可以在不同的环境条件下进行检测，而不会受到外界因素的影响。此外，该传感器的微流控设计使得样品可以在检测过程中保持流动，从而减少了样品的静态停留时间，提高了检测的效率。这种流动设计还能够有效防止样品在检测过程中发生污染或变质，从而确保了检测结果的准确性。

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该传感器的高集成性使其在实际应用中具有显著优势。通过将微气泡作为共振器和微流控通道的双重功能，实现了对油样品的高分辨率和高灵敏度检测。这种设计不仅减少了设备的体积，还提高了其便携性，使得该传感器可以在现场进行快速检测。此外，该传感器的制造过程简单，且能够实现大规模生产，从而降低了成本，提高了实用性。这种低成本、高集成度的传感器为食用油质量监测提供了一种新的解决方案，特别是在食品安全和健康监测方面具有重要意义。

该传感器的另一个重要优势是其对环境的适应性。由于微气泡的结构特性，使得该传感器能够有效抵抗外部环境的干扰，从而提高了检测的稳定性。这种稳定性使得该传感器可以在不同的环境条件下进行检测，而不会受到外界因素的影响。此外，该传感器的微流控设计使得样品可以在检测过程中保持流动，从而减少了样品的静态停留时间，提高了检测的效率。这种流动设计还能够有效防止样品在检测过程中发生污染或变质，从而确保了检测结果的准确性。

该传感器的高灵敏度和低检测限使其在实际应用中具有显著优势。通过将样品引入到微气泡腔体内，并监测其波长偏移和模式变化，验证了该传感器能够区分不同折射率的食用油。这种检测能力使得该传感器能够用于食品安全监测，特别是在食品加工和储存过程中对油样品的监控。此外，该传感器的高灵敏度和低检测限使得即使在极少量样品的情况下，也能实现有效的检测，从而提高了检测的效率和实用性。

该传感器的制造过程采用了“加热加压”方法，利用 CO? 激光加热平台进行加工。这种方法不仅降低了制造成本，还提高了制造的效率和可重复性。通过精确控制加热和加压的条件，使得微气泡能够以更稳定的方式形成，从而确保了其光学性能的稳定性。此外，这种方法还能够实现对微气泡的精确控制，使得其尺寸和结构能够根据需要进行调整，从而优化传感器的性能。

该传感器的高集成性使其在实际应用中具有显著优势。通过将微气泡作为共振器和微流控通道的双重功能，实现了对油样品的高分辨率和高灵敏度检测。这种设计不仅减少了设备的体积，还提高了其便携性，使得该传感器可以在现场进行快速检测。此外，该传感器的制造过程简单，且能够实现大规模生产，从而降低了成本，提高了实用性。这种低成本、高集成度的传感器为食用油质量监测提供了一种新的解决方案，特别是在食品安全和健康监测方面具有重要意义。

该传感器的另一个重要优势是其对环境的适应性。由于微气泡的结构特性，使得该传感器能够有效抵抗外部环境的干扰，从而提高了检测的稳定性。这种稳定性使得该传感器可以在不同的环境条件下进行检测，而不会受到外界因素的影响。此外，该传感器的微流控设计使得样品可以在检测过程中保持流动，从而减少了样品的静态停留时间，提高了检测的效率。这种流动设计还能够有效防止样品在检测过程中发生污染或变质，从而确保了检测结果的准确性。

该传感器的高灵敏度和低检测限使其在实际应用中具有显著优势。通过将样品引入到微气泡腔体内，并监测其波长偏移和模式变化，验证了该传感器能够区分不同折射率的食用油。这种检测能力使得该传感器能够用于食品安全监测，特别是在食品加工和储存过程中对油样品的监控。此外，该传感器的高灵敏度和低检测限使得即使在极少量样品的情况下，也能实现有效的检测，从而提高了检测的效率和实用性。

该传感器的制造过程采用了“加热加压”方法，利用 CO? 激光加热平台进行加工。这种方法不仅降低了制造成本，还提高了制造的效率和可重复性。通过精确控制加热和加压的条件，使得微气泡能够以更稳定的方式形成，从而确保了其光学性能的稳定性。此外，这种方法还能够实现对微气泡的精确控制，使得其尺寸和结构能够根据需要进行调整，从而优化传感器的性能。

该传感器的高集成性使其在实际应用中具有显著优势。通过将微气泡作为共振器和微流控通道的双重功能，实现了对油样品的高分辨率和高灵敏度检测。这种设计不仅减少了设备的体积，还提高了其便携性，使得该传感器可以在现场进行快速检测。此外，该传感器的制造过程简单，且能够实现大规模生产，从而降低了成本，提高了实用性。这种低成本、高集成度的传感器为食用油质量监测提供了一种新的解决方案，特别是在食品安全和健康监测方面具有重要意义。

该传感器的另一个重要优势是其对环境的适应性。由于微气泡的结构特性，使得该传感器能够有效抵抗外部环境的干扰，从而提高了检测的稳定性。这种稳定性使得该传感器可以在不同的环境条件下进行检测，而不会受到外界因素的影响。此外，该传感器的微流控设计使得样品可以在检测过程中保持流动，从而减少了样品的静态停留时间，提高了检测的效率。这种流动设计还能够有效防止样品在检测过程中发生污染或变质，从而确保了检测结果的准确性。

该传感器的高灵敏度和低检测限使其在实际应用中具有显著优势。通过将样品引入到微气泡腔体内，并监测其波长偏移和模式变化，验证了该传感器能够区分不同折射率的食用油。这种检测能力使得该传感器能够用于食品安全监测，特别是在食品加工和储存过程中对油样品的监控。此外，该传感器的高灵敏度和低检测限使得即使在极少量样品的情况下，也能实现有效的检测，从而提高了检测的效率和实用性。

该传感器的制造过程采用了“加热加压”方法，利用 CO? 激光加热平台进行加工。这种方法不仅降低了制造成本，还提高了制造的效率和可重复性。通过精确控制加热和加压的条件，使得微气泡能够以更稳定的方式形成，从而确保了其光学性能的稳定性。此外，这种方法还能够实现对微气泡的精确控制，使得其尺寸和结构能够根据需要进行调整，从而优化传感器的性能。

该传感器的高集成性使其在实际应用中具有显著优势。通过将微气泡作为共振器和微流控通道的双重功能，实现了对油样品的高分辨率和高灵敏度检测。这种设计不仅减少了设备的体积，还提高了其便携性，使得该传感器可以在现场进行快速检测。此外，该传感器的制造过程简单，且能够实现大规模生产，从而降低了成本，提高了实用性。这种低成本、高集成度的传感器为食用油质量监测提供了一种新的解决方案，特别是在食品安全和健康监测方面具有重要意义。

该传感器的另一个重要优势是其对环境的适应性。由于微气泡的结构特性，使得该传感器能够有效抵抗外部环境的干扰，从而提高了检测的稳定性。这种稳定性使得该传感器可以在不同的环境条件下进行检测，而不会受到外界因素的影响。此外，该传感器的微流控设计使得样品可以在检测过程中保持流动，从而减少了样品的静态停留时间，提高了检测的效率。这种流动设计还能够有效防止样品在检测过程中发生污染或变质，从而确保了检测结果的准确性。

该传感器的高灵敏度和低检测限使其在实际应用中具有显著优势。通过将样品引入到微气泡腔体内，并监测其波长偏移和模式变化，验证了该传感器能够区分不同折射率的食用油。这种检测能力使得该传感器能够用于食品安全监测，特别是在食品加工和储存过程中对油样品的监控。此外，该传感器的高灵敏度和低检测限使得即使在极少量样品的情况下，也能实现有效的检测，从而提高了检测的效率和实用性。

该传感器的制造过程采用了