CN103926217A

CN103926217A - 光纤布拉格光栅葡萄糖传感器及其制备方法

Info

Publication number: CN103926217A
Application number: CN201410175577.6A
Authority: CN
Inventors: 周次明; 李蒙蒙; 吴庆知; 范典; 欧艺文
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2014-04-28
Filing date: 2014-04-28
Publication date: 2014-07-16

Abstract

本发明是光纤布拉格光栅葡萄糖传感器及其制备方法，该传感器包括葡萄糖氧化酶(3)、硅烷偶联剂(2)和包层减薄的光纤布拉格光栅(1)，其中：光纤布拉格光栅的表面用硅烷偶联剂处理，葡萄糖氧化酶通过交联剂固定在光纤布拉格光栅的表面上。该传感器的制备方法是用氢氟酸腐蚀等方法先将光纤布拉格光栅的包层减薄至直径为10～20μm，经清洗和干燥后，用氨基硅氧烷溶液处理光纤布拉格光栅表面，然后在交联剂的作用下将葡萄糖氧化酶固定在光纤表面。本发明使用布拉格波长作为测量参量，避免了光强等因素的影响；所用的固定葡萄糖氧化酶的方法，不会影响酶的活性；传感器只对葡萄糖有响应，对其他物质不敏感；传感器结构简单，易于制作。

Description

光纤布拉格光栅葡萄糖传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种光纤布拉格光栅葡萄糖传感器及其制备方法，尤其是一种使用光纤布拉格光栅和葡萄糖氧化酶相结合的光纤布拉格光栅葡萄糖传感器的制备方法，用于葡萄糖浓度的测定。

背景技术

光纤葡萄糖传感器属于光纤传感器的一种特定类别，近年来，光纤葡萄糖传感器的研究已得到越来越多研究者的关注，并进行了大量的研究。光纤传感器具有灵敏度高、抗干扰能力强、响应快、成本低、有利于在线监测等优点。主要有以下几种：

1.根据光纤内光强损耗与纤芯外环境有效折射率相关的原理，传感器探头为一段用纯化学法处理的普通单模光纤，通过对不同外界环境条件下输出光强度变化进行监测，实现葡萄糖浓度的测定。但这种类型的光纤生物传感器不能实现对葡萄糖浓度的选择性测量，即检测的特异性较差，当溶液中有其他物质存在时会干扰对葡萄糖浓度的测定，因而它的使用会具有一定的局限性，限制了其在临床医学检测方面的应用。此外，该检测系统对光强度测量需要用到的光学仪器较多，成本较高。

2.Ming-Hung Chiu等人将单模光纤的纤芯切掉一半，然后在切面表面镀金，利用表面等离子体共振技术和外差干涉法测量葡萄糖浓度。但是这种传感器测定葡萄糖浓度的特异性也较差，而且传感器的制作和光路的调整都很复杂。

3.传感器探头由分离的酶膜和光敏膜两部分组成，利用锁相放大技术，通过检测荧光猝灭的时间来测定葡萄糖浓度。这种传感器虽然能够实现对葡萄糖浓度的选择性检测，但是酶膜的制作过程比较复杂，导致传感器的制备过程比较繁琐，测量所需仪器成本较高。

4.Ting-Qian Lin等人通过戊二醛连接剂将葡萄糖氧化酶固定在经过化学处理的单模光纤表面，并利用外差干涉法测量由外界环境变化引起的相位变化，实现对葡萄糖浓度的测定。这种方法能够实现对葡萄糖浓度的选择性测定，但是由于使用准直透镜和检偏镜等仪器，使其光路的调节比较复杂，而且抗震能力差。

发明内容

本发明所要解决的问题是：为了克服上述现有技术的不足，提供一种结构简单的可以实现对葡萄糖的选择性检测的光纤布拉格光栅葡萄糖传感器，同时提供易于制备该传感器的方法。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的光纤布拉格光栅葡萄糖传感器，其包括葡萄糖氧化酶、硅烷偶联剂和包层减薄的光纤布拉格光栅，其中：光纤布拉格光栅的表面用硅烷偶联剂处理，葡萄糖氧化酶通过交联剂固定在光纤布拉格光栅的表面上。

所述的硅烷偶联剂可以为γ-氨丙基三乙氧基硅烷，或其衍生物。

所述的硅烷偶联剂衍生物，包括对乙氧基硅烷、对甲氧基硅烷、异丁基三乙氧基硅烷等，但不局限于这几种。

所述的光纤布拉格光栅可以为包层减薄到直径为10～20μm的光纤光栅。

所述的交联剂由EDC和NHS构成，其中EDC是1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐的英文缩写，NHS是N-羟基琥珀酰亚胺的英文缩写。

本发明提供的光纤布拉格光栅葡萄糖传感器的制备方法，具体是：用氢氟酸腐蚀先将光纤布拉格光栅的包层减薄至直径为10～20μm，经清洗和干燥后，使用氨基硅氧烷溶液对光纤布拉格光栅表面进行处理，然后在交联剂的作用下将葡萄糖氧化酶固定在光纤布拉格光栅的表面上；当光纤布拉格光栅葡萄糖传感器浸入葡萄糖溶液时，葡萄糖会在葡萄糖氧化酶的催化作用下发生化学反应，生成新的物质，使光纤布拉格光栅的环境折射率发生改变，进而导致光纤布拉格光栅的布拉格波长改变，通过测量光纤布拉格光栅的布拉格波长的改变就可以计算出溶液中葡萄糖的浓度。

所述的光纤布拉格光栅包层减薄及表面处理的方法如下：

光纤布拉格光栅的包层减薄的方法可以是：将一个光纤布拉格光栅，剥掉其涂覆层，用去离子水稀释后的体积百分比浓度为10～30％的氢氟酸腐蚀光栅部分至光纤直径为10～20μm，腐蚀完成后用去离子水清洗；

光纤布拉格光栅的表面处理的方法可以是：用质量百分比浓度为98％的浓硫酸与质量百分比浓度为30％的双氧水构成的混合溶液浸泡腐蚀好的光纤布拉格光栅，以去除此段光纤表面的杂质，浸泡5～20min，取出光纤，用去离子水洗净，干燥。

所述的光纤布拉格光栅的表面功能化修饰的方法可以是：用去离子水和质量百分比浓度为99.7％的无水乙醇稀释硅烷偶联剂，使此硅烷偶联剂的体积百分比浓度为10％～20％，将处理好的包层减薄的光纤布拉格光栅浸泡在上述配制好的硅烷偶联剂溶液中10～20min，取出处理后的光纤，在室温下放置12～24h。

所述的在光纤布拉格光栅表面固定葡萄糖氧化酶的方法可以是：用ph值为7.2～7.4的磷酸盐缓冲液配制EDC和NHS混合溶液，使混合溶液中EDC浓度为0.02mol/L，NHS浓度为0.05mol/L；用EDC和NHS的混合溶液浸泡经过表面功能化修饰的光纤布拉格光栅1～2h，浸泡完成后取出并立即放入浓度为10～20mg/mL的葡萄糖氧化酶溶液中2h；取出后用pH值为7.2～7.4的磷酸盐缓冲溶液淋洗去除未固定的葡萄糖氧化酶，制得光纤布拉格光栅葡萄糖传感器。

所述的葡萄糖氧化酶溶液用磷酸盐缓冲溶液配制的方法可以是：称取一定质量的葡萄糖氧化酶粉末，溶解在磷酸盐缓冲溶液中，在零下4度的冰箱中保存。

本发明的原理如下：

光纤布拉格光栅布拉格波长为：

λ_B＝2Λn_eff (1)

其中，λ_B为光纤布拉格光栅的布拉格波长；Λ为光栅周期，是一个固定值；n_eff为包层的有效折射率。可以看出对于一根特定的光纤布拉格光栅，布拉格波长只与包层有效折射率有关。包层减薄至10～20μm的光纤布拉格光栅对外界环境折射率的变化发生响应，环境折射率改变时，光纤布拉格光栅的包层有效折射率n_eff也会随之变化，从而导致布拉格波长的变化。

当向传感器滴加葡萄糖溶液时，传感器上的葡萄糖氧化酶会和溶液中的葡萄糖发生反应，因为葡萄糖氧化酶对葡萄糖的反应具有特异性，因而可以实现对葡萄糖浓度的选择性检测。反应方程式如下：

其中，GOD为葡萄糖氧化酶。

由方程式(2)可以看出，反应前后的生成物与反应物不同，导致反应后环境折射率会发生改变，从而引起布拉格波长会发生变化，用光纤布拉格光栅波长读出装置，检测并记录布拉格波长的变化，就可以得出溶液中葡萄糖的浓度。

当向传感器滴加其他物质如氯化钠溶液时，由于氯化钠等不能和葡萄糖氧化酶发生反应，因此传感器的布拉格波长不会发生变化。

本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：

首次提出采用光纤布拉格光栅和葡萄糖氧化酶制作光纤光栅葡萄糖传感器；该方法制作的传感器结构简单，易于制备；该传感器可以实现葡萄糖浓度的特异性检测,传感器只对葡萄糖有响应，对其他物质不敏感；传感器制备过程简单，光路简单易懂；该传感器所用固定酶的方法不会影响酶的活性；该传感器把光纤布拉格光栅的波长作为葡萄糖浓度的测量参量，避免了光强等因素的影响；该传感器充分发挥了光纤传感器抗干扰能力强、响应快、成本低、有利于在线监测等优点。

附图说明

图1为本发明传感器的结构示意图。

图2为光纤布拉格光栅腐蚀示意图。

图3为腐蚀后光纤布拉格光栅表面活化示意图。

图4为交联剂处理光纤布拉格光栅示意图。

图5为传感器透射式测量系统示意图。

图6为传感器反射式测量系统示意图。

图中：1.光纤布拉格光栅；2.硅烷偶联剂；3.葡萄糖氧化酶；4.葡萄糖溶液；5.氢氟酸；6.活化溶液；7.交联剂；8.第一光源；9.光纤布拉格光栅葡萄糖传感器；10.光纤布拉格波长读出装置；11.第二光源；12.耦合器或光环形器；13.光纤布拉格波长读出装置；14.光纤布拉格光栅葡萄糖传感器。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但并不局限于下面所述内容。

本发明提供的光纤布拉格光栅葡萄糖传感器，由光纤光栅构成，结构简单，体积小易于封装，耐腐蚀，抗电磁干扰，可以实现对葡萄糖浓度的特异性检测。该光纤布拉格光栅葡萄糖传感器的结构如图1所示，包括光纤布拉格光栅1、硅烷偶联剂2、葡萄糖氧化酶3，其中：光纤布拉格光栅1为包层减薄到10～20μm的光栅，所述的硅烷偶联剂2用于对包层减薄后的光纤布拉格光栅进行表面处理，所述的葡萄糖氧化酶3在交联剂7的作用下，固定在经硅烷偶联剂2处理后的光纤布拉格光栅1的表面，所述的葡萄糖溶液4为传感器使用的环境。

所述的硅烷偶联剂2为γ-氨丙基三乙氧基硅烷(C₉H₂₃O₃NSi)，或其衍生物，例如包括对乙氧基硅烷、对甲氧基硅烷、异丁基三乙氧基硅烷等。

如图2所示，用氢氟酸5腐蚀光纤布拉格光纤，使光纤直径为10～20μm。

如图3所示，用体积比为3:1的浓硫酸和双氧水的混合溶液即活化溶液6，对腐蚀后的光纤布拉格光栅1表面进行清洗，然后用硅烷偶联剂2对此段光纤布拉格光栅1进行表面功能化修饰。

如图4所示，用EDC(1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐)和NHS(N-羟基琥珀酰亚胺)的混合溶液即交联剂7，对表面功能化修饰后的光纤布拉格光栅1进行表面处理，为下一步固定葡萄糖氧化酶做准备。

本发明传感器透射式测量系统如图5所示。第一光源8发出的光，经过一段单模光纤到达光纤布拉格光栅葡萄糖传感器9，测量信号被光纤布拉格光栅波长读出装置10检测。

本发明传感器反射式测量系统如图6所示。第二光源11发出的光经过耦合器或光环形器12达到光纤布拉格光栅葡萄糖传感器14，经过光纤布拉格光栅葡萄糖传感器14尾纤的端面反射，再一次经过光纤布拉格光栅葡萄糖传感器14，然后经过耦合器或光环形器12到达光纤布拉格光栅波长读出装置13检测测量信号。

本发明提供的上述光纤布拉格光栅葡萄糖传感器，其制备方法包括以下步骤：

1.光纤布拉格光栅1(FBG)包层减薄及表面处理：

选取一个光纤布拉格光栅1，剥掉涂覆层，用去离子水稀释后的体积百分比浓度为10～30％的氢氟酸腐蚀光栅部分至光纤直径为10～20μm，腐蚀完成后用去离子水清洗；用质量百分比浓度为98％的浓硫酸与质量百分比浓度为30％的双氧水构成的混合溶液浸泡腐蚀好的光纤布拉格光栅，以去除此段光纤表面的杂质，浸泡5～20min，取出光纤，用去离子水洗净，干燥。

2.光纤布拉格光栅1的表面功能化修饰：

用去离子水和质量百分比浓度为99.7％的无水乙醇稀释硅烷偶联剂2，使此硅烷偶联剂的体积百分比浓度为10％～20％，将处理好的包层减薄的光纤布拉格光栅1浸泡在上述配制好的硅烷偶联剂(氨基硅氧烷)溶液中10～20min,，取出处理后的光纤，在室温下放置12～24h。

3.光纤布拉格光栅1表面固定葡萄糖氧化酶：

用ph值为7.2～7.4的磷酸盐缓冲液配制EDC和NHS混合溶液，使混合溶液中EDC浓度为0.02mol/L，NHS浓度为0.05mol/L。用EDC和NHS的混合溶液浸泡经过表面功能化修饰的光纤布拉格光栅1～2h，浸泡完成后取出并立即放入浓度为10～20mg/mL的葡萄糖氧化酶溶液(用磷酸盐缓冲溶液配制)中2h。取出后用pH值为7.2～7.4的磷酸盐缓冲溶液淋洗去除未固定的GOD(葡萄糖氧化酶)，制得光纤布拉格光栅葡萄糖传感器。

Claims

1.一种光纤布拉格光栅葡萄糖传感器，其特征在于包括葡萄糖氧化酶(3)、硅烷偶联剂(2)和包层减薄的光纤布拉格光栅(1)，其中：光纤布拉格光栅(1)的表面用硅烷偶联剂(2)处理，葡萄糖氧化酶(3)通过交联剂(7)固定在光纤布拉格光栅(1)的表面上。

2.根据权利要求1所述的光纤布拉格光栅葡萄糖传感器，其特征在于所述的硅烷偶联剂(2)为γ-氨丙基三乙氧基硅烷，或其衍生物。

3.根据权利要求2所述的光纤布拉格光栅葡萄糖传感器，其特征在于所述的硅烷偶联剂衍生物，包括对乙氧基硅烷、对甲氧基硅烷、异丁基三乙氧基硅烷。

4.根据权利要求1所述的光纤布拉格光栅葡萄糖传感器，其特征在于所述的光纤布拉格光栅(1)为包层减薄到直径为10～20μm的光纤光栅。

5.根据权利要求1所述的光纤布拉格光栅葡萄糖传感器，其特征在于采用由EDC和NHS构成的交联剂(7)，所述EDC是1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐的英文缩写，NHS是N-羟基琥珀酰亚胺的英文缩写。

6.一种光纤布拉格光栅葡萄糖传感器的制备方法，其特征在于用氢氟酸腐蚀先将光纤布拉格光栅(1)的包层减薄至直径为10～20μm，经清洗和干燥后，使用氨基硅氧烷溶液对光纤布拉格光栅(1)表面进行处理，然后在交联剂的作用下将葡萄糖氧化酶(3)固定在光纤布拉格光栅(1)的表面上；当光纤布拉格光栅葡萄糖传感器浸入葡萄糖溶液(4)时，葡萄糖会在葡萄糖氧化酶(3)的催化作用下发生化学反应，生成新的物质，使光纤布拉格光栅(1)的环境折射率发生改变，进而导致光纤布拉格光栅(1)的布拉格波长改变，通过测量光纤布拉格光栅(1)的布拉格波长的改变就可以计算出溶液中葡萄糖的浓度。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于光纤布拉格光栅(1)包层减薄及表面处理的方法是：

光纤布拉格光栅(1)的包层减薄的方法是：将一个光纤布拉格光栅(1)，剥掉其涂覆层，用去离子水稀释后的体积百分比浓度为10～30％的氢氟酸腐蚀光栅部分至光纤直径为10～20μm，腐蚀完成后用去离子水清洗；

光纤布拉格光栅(1)的表面处理的方法是：用质量百分比浓度为98％的浓硫酸与质量百分比浓度为30％的双氧水构成的混合溶液浸泡腐蚀好的光纤布拉格光栅，以去除此段光纤表面的杂质，浸泡5～20min，取出光纤，用去离子水洗净，干燥。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于光纤布拉格光栅(1)的表面功能化修饰的方法是：用去离子水和质量百分比浓度为99.7％的无水乙醇稀释硅烷偶联剂(2)，使此硅烷偶联剂的体积百分比浓度为10％～20％，将处理好的包层减薄的光纤布拉格光栅(1)浸泡在上述配制好的硅烷偶联剂溶液中10～20min，取出处理后的光纤，在室温下放置12～24h。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于光纤布拉格光栅(1)表面固定葡萄糖氧化酶的方法是：用ph值为7.2～7.4的磷酸盐缓冲液配制EDC和NHS混合溶液，使混合溶液中EDC浓度为0.02mol/L，NHS浓度为0.05mol/L；用EDC和NHS的混合溶液浸泡经过表面功能化修饰的光纤布拉格光栅1～2h，浸泡完成后取出并立即放入浓度为10～20mg/mL的葡萄糖氧化酶溶液中2h；取出后用pH值为7.2～7.4的磷酸盐缓冲溶液淋洗去除未固定的葡萄糖氧化酶，制得光纤布拉格光栅葡萄糖传感器。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于葡萄糖氧化酶溶液用磷酸盐缓冲溶液配制，具体为：称取一定质量的葡萄糖氧化酶粉末，溶解在磷酸盐缓冲溶液中，在零下4度的冰箱中保存。