CN104914055A - 微尺度光纤探针及葡萄糖含量的检测方法、装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微尺度光纤探针及葡萄糖含量的检测方法、装置。采用经过葡萄糖氧化酶(GOD)表面修饰的微纳光纤为探针，测量原理为，光波在微纳光纤探针中传输时，在光纤外部存在倏逝波并沿光纤轴向传输，倏逝波与微纳光纤外部的环境相互作用。葡萄糖在微纳光纤表面修饰的葡萄糖氧化酶的催化作用下转化成葡萄糖酸，葡萄糖酸引起环境折射率改变，使得倏逝波在该区域传输时产生相位调制，从而导致微纳光纤等效光程的变化。通过测量因葡萄糖浓度变化带来的光程的变化信息即可测得葡萄糖的含量。发明具有很高的灵敏度和响应速度，而且测量范围大，可靠性高。可以满足食品安全，疾病监测，临床医疗等，环境监测等不同领域的应用需求。

Description

微尺度光纤探针及葡萄糖含量的检测方法、装置

技术领域

本发明涉及生化传感技术领域，具体涉及一种微尺度光纤探针、葡萄糖含量的检测方法、装置。

背景技术

在日常生活中，获取葡萄糖的含量信息具有重要的意义。血糖是提供人体能量的主要物质，对于人体血糖浓度的检测，在生物医疗方面的临床检测中就显得至关重要，因为血糖的偏高和偏低都反应出人体代谢方面出现了问题。在临床治疗中，葡萄糖溶液作为注射疗法经常使用，为进食困难的病人直接提供给养和能量。在工业应用中，葡萄糖又作为还原剂大量使用。因此，对于葡萄糖的检测是一项具有现实应用意义的技术。

目前光纤传感器在生物化学方面的应用得到了很大的发展。但实现方法多集中于应用特种光栅技术。如2012年，SaurabhManiTripathia采用长周期光纤光栅被用来进行大肠杆菌的传感测量；AkashDeep也采用长周期光纤光栅用来进行葡萄糖的传感。这两篇文章中都是将光纤光栅表面修饰后，固定特殊的抗体来实现对目标的选择性探测。2014年BinbinLuo采用同样方法，对大角度的倾斜光栅进行表面修饰后，固定上葡萄糖氧化酶，通过测共振波长漂移的方法实现了对葡萄糖浓度范围为0～3mg/mL的探测，灵敏度能够达到0.298nm^.(mg/ml)^-1。但是使用特种光栅技术实现生化传感的方式，尺寸大，灵敏度过低，对于用来检测的仪器的分辨率的要求就要很高，使得该项技术的使用成本也较高，另外光栅长期使用下的可靠性也存在问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有的光纤传感的方式探测葡萄糖含量技术存在的问题，提供一种微尺度光纤探针、基于微尺度光纤探针的葡萄糖含量的检测方法和装置。

为解决上述技术问题，本发明解决其技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种微尺度光纤探针，所述微尺度光纤探针为一段直径为微米级的微纳光纤，所述微纳光纤表面修饰有葡萄糖氧化酶(GOD)，用于测量葡萄糖溶液中葡萄糖的含量。

所述微尺度光纤探针的制备方法，包括以下步骤：

取一根直径为微米级的微纳光纤，激活所述微纳光纤表面的氢氧基；

将所述微纳光纤浸入浓度为8-12mg/mL的葡萄糖氧化酶的醋酸钠混合溶液中，进行1.8-2.2小时的孵化；

然后用醋酸钠缓冲液清洗；

再采用去离子水清洗；

干燥。

进一步的，所述激活微纳光纤表面的氢氧基，具体步骤为：

将所述微纳光纤浸入浓度为95％的H₂SO₄的H₂O₂溶液中0.8-1.2个小时。

所述微纳光纤浸入葡萄糖氧化酶的醋酸钠混合溶液中孵化之前，将所述微纳光纤浸入质量比为8％-12％的硅烷偶联剂酒精溶液35-45分钟，然后用去离子水和酒精清洗干净，以去除未附着在光纤表面的混合物。

本发明提出了基于微尺度光纤探针的葡萄糖浓度的检测方法，包括以下步骤：

将微尺度光纤探针置于待测葡萄糖溶液中，

宽谱光源发出的光波，通过第一光纤耦合器分别耦合进入参考臂和传感臂，其中参考臂由光衰减器和光延迟线构成，传感臂由微尺度光纤探针构成，两臂中传输的光波到达第二光纤耦合器汇合之后进入光谱分析仪，光谱分析仪上显示出干涉光谱；测量干涉光谱的变化，经过信号解调后，获得待测葡萄糖溶液中的葡萄糖含量。

所述信号解调包括以下步骤：

寻找所述干涉光谱上的特定级次波谷，用极值法找到该波谷的最低点，

在最低点附近选取一段光谱再进行高斯拟合，获得波谷的中心波长，

然后以葡萄糖的浓度为横轴，波谷在光谱上的位置为纵轴，画出散点图做线性拟合，获得光谱漂移随葡萄糖浓度变化的曲线，曲线的斜率就为灵敏度；将所述干涉光谱与葡萄糖浓度为0时的干涉光谱作对比，获得特定级次波谷的中心波长在光谱上位置的漂移量，所述漂移量与所述灵敏度的乘积即被测的葡萄糖溶液的浓度。

本发明同时还提供了一种基于微尺度光纤探针的葡萄糖浓度的检测装置，包括宽谱光源，第一光纤耦合器，第二光纤耦合器，光衰减器，光延迟线，所述微尺度光纤探针，光谱分析仪，所述第一光纤耦合器通过光路分别连接参考臂和传感臂，所述参考臂由所述光衰减器、光延迟线构成，所述传感臂由所述微尺度光纤探针构成,两臂中传输的光波到达第二光纤耦合器汇合之后进入所述光谱分析仪。

作为另一优选方案，基于微尺度光纤探针的葡萄糖浓度的检测方法，包括以下步骤：

将多模的所述微尺度光纤探针置于待测葡萄糖溶液中，

宽谱光源发出光波直接耦合进入所述多模的微尺度光纤探针，所述多模的微尺度光纤探针的另一端接入光谱分析仪，光谱分析仪上会显示出干涉光谱；测量干涉光谱的变化，经过信号解调后，获得待测葡萄糖溶液中的葡萄糖含量。

所述信号解调包括以下步骤：

寻找所述干涉光谱上的特定级次波谷，用极值法找到该波谷的最低点，

在最低点附近选取一段光谱再进行高斯拟合，获得波谷的中心波长，

然后以葡萄糖的浓度为横轴，波谷在光谱上的位置为纵轴，画出散点图做线性拟合，获得光谱漂移随葡萄糖浓度变化的曲线，曲线的斜率就为灵敏度；将所述干涉光谱与葡萄糖浓度为0时的干涉光谱作对比，获得特定级次波谷的中心波长在光谱上位置的漂移量，所述漂移量与所述灵敏度的乘积即被测的葡萄糖溶液的浓度。

相对应于上述基于微尺度光纤探针的葡萄糖浓度的检测方法的装置，包括宽谱光源，多模的所述微尺度光纤探针，光谱分析仪，依次连接光路。在该装置中，表面修饰了葡萄糖氧化酶的多模微纳光纤伸入装了特定浓度葡萄糖溶液的容器中，测量干涉光谱，与葡萄糖浓度为0时的干涉光谱作对比，计算出光谱漂移，乘以传感灵敏度，计算出葡萄糖溶液的浓度。

本发明的检测方法原理如下：光波在微纳光纤中传输时，在光纤外部存在倏逝波并沿光纤轴向传输，倏逝波与微纳光纤外部的环境相互作用。葡萄糖在微纳光纤表面修饰的葡萄糖氧化酶(GOD)的催化作用下，转化成葡萄糖酸，葡萄糖酸引起环境折射率改变，使得倏逝波在该区域传输时产生相位调制，从而导致微纳光纤等效光程的变化。通过光纤干涉仪的方法测量因葡萄糖浓度变化带来的光程的变化信息，即可测得葡萄糖的含量。

本发明与现有技术相比，具有以下主要优点：

其一采用微纳光纤作为传感载体，制作简单，灵敏度高。

其二对微纳光纤进行了表面修饰，实现了葡萄糖的选择性探测，准确度高。

其三采用了基于MZI的干涉结构，传感装置的结构极其简单，并且进一步提升了传感的灵敏度。

本传感装置可以广泛的应用于生物医疗生产，临床治疗时的葡萄糖检测。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

图1为具体实施方式的微纳光纤探针制作流程图。

图2是本发明的双臂微尺度光纤马赫—曾德尔(MZI)干涉传感结构的示意图。

图2中：1--宽谱光源；2--第一光纤耦合器(1×2)；3--光衰减器；4--光延迟线；5--第二光纤耦合器(1×2)；6--光谱分析仪；7--微尺度光纤探针；8--葡萄糖溶液容器。

图3是本发明的单根多模微尺度光纤在线马赫—曾德尔(MZI)干涉结构示意图。

图3中：9--宽谱光源；10--多模的微尺度光纤探针；11--葡萄糖溶液容器；12--光谱分析仪。

图4是本发明的信号解调技术的数据处理流程图。

图5是本发明的光谱数据示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于微尺度光纤探针的葡萄糖含量检测技术，采用经过葡萄糖氧化酶(GOD)表面修饰的微纳光纤为探针，实现葡萄糖含量测量。其工作原理如下：光波在微纳光纤中传输时，在光纤外部存在倏逝波并沿光纤轴向传输，倏逝波与微纳光纤外部的环境相互作用。葡萄糖在微纳光纤表面修饰的葡萄糖氧化酶(GOD)的催化作用下，转化成葡萄糖酸，葡萄糖酸引起环境折射率改变，使得倏逝波在该区域传输时产生相位调制，从而导致微纳光纤等效光程的变化。通过光纤干涉仪的方法测量因葡萄糖浓度变化带来的光程的变化信息，即可测得葡萄糖的含量。

如图1所示，本发明提供一种微尺度光纤探针的制作方法，其具体制备过程为：

1)将标准单模光纤中部，采用氢氧焰加热的方法，拉伸至微米尺度直径，得到一根微纳光纤；

2)将微纳光纤浸入浓度为5％的HNO₃溶液中浸泡，以去除微纳光纤表面的污染物，然后用去离子水和酒精清洗干净；

3)将微纳光纤浸入浓度为95％的H₂SO₄的H₂O₂溶液中0.8-1.2个小时，以激活光纤表面的氢氧基，然后用去离子水和酒精清洗干净；

4)将微纳光纤放在空气中干燥；

5)将微纳光纤浸入体积比为8％-12％的APTES(硅烷偶联剂)的酒精溶液30-50分钟，然后用去离子水和酒精清洗干净，以去除未附着在光纤表面的混合物；

6)将微纳光纤浸入浓度为8-12mg/mL的葡萄糖氧化酶的醋酸钠混合溶液，进行1.8-2.2小时的孵化，然后用醋酸钠缓冲液清洗，再采用去离子水清洗，然后放在空气中干燥；

本发明提供了基于MZI结构的光纤干涉仪的传感测量方法及其装置。

一、基于双臂微尺度光纤马赫—曾德尔(MZI)干涉仪相位调制传感测量方法及装置。

如图2所示，包括宽谱光源1，第一光纤耦合器2，第二光纤耦合器5，光衰减器3，光延迟线4，微尺度光纤探针7，光谱分析仪6，第一光纤耦合2器通过光路分别连接参考臂和传感臂，参考臂由光衰减器3、光延迟线4构成，传感臂由微尺度光纤探针7构成,两臂中传输的光波到达第二光纤耦合器5汇合之后进入光谱分析仪。微尺度光纤探针7放在盛放葡萄糖溶液的容器8中。

本方法包括以下步骤：

产生干涉光信号：宽谱光源发出的光波，通过3dB耦合器分别进入参考臂和传感臂，其中，参考臂由光衰减器，光延迟线构成，传感臂由表面修饰了葡萄糖氧化酶的微纳光纤构成；参考臂和传感臂的光波通过另一个3dB耦合器汇合之后接入光谱分析仪。在光谱分析仪上显示出干涉光谱。

相位调制：在盛放葡萄糖溶液的容器8中放入特定浓度葡萄糖溶液时，微尺度光纤探针表面修饰的葡萄糖氧化酶，催化葡萄糖反应产生葡萄糖酸，引起环境折射率的改变，使得倏逝波在该区域传输时产生相位调制，传感臂的相移可以采用如下公式表示：

${\mathrm{\Δ\φ}}_{MF}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\·{\mathrm{\ΔQ}}_{MF}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Δn}}_{eff}L$

${\mathrm{\Δn}}_{eff}L=(m+\frac{1}{2}){\mathrm{\λ}}_m$

ΔQ_MF是微纳光纤等效光学长度的变化量。L是微纳光纤的长度，λ是输入光的波长，Δn_eff是微纳光纤有效折射率的改变量。在光谱上，波谷的中心波长可以表示为λm。从公式中可以看出，环境折射率的改变会导致微纳光纤等效光程的变化。在光谱上表示为m级次的波谷的中心波长发生漂移，漂移量可表示为Δλ。

二、基于单根多模微尺度光纤在线马赫—曾德尔(MZI)干涉仪相位调制传感测量方法及装置。

如图3所示，基于微尺度光纤探针的葡萄糖浓度的检测方法的装置，包括宽谱光源9，多模的微尺度光纤探针10，光谱分析仪12，依次连接光路。多模的微尺度光纤探针10放在盛放葡萄糖溶液的容器11中。

本方法包括以下步骤：

产生干涉光信号：宽谱光源发出的光波，耦合进入多模微尺度光纤探针，光纤探针的另一端接入光谱分析仪，在光谱分析仪上显示出干涉光谱。

相位调制：在盛放葡萄溶液的容器11中放入特定浓度的葡萄糖溶液时，多模微尺度光纤探针表面修饰的葡萄糖氧化酶，催化葡萄糖反应产生葡萄糖酸，引起环境折射率改变，使得多模微纳光纤中的倏逝波在此区域传输时，产生相位调制，其工作原理是，倏逝波的不同模式，在此区域的等效折射率不同：

$(n_1-n_2)L={\mathrm{\Δn}}_{eff}L=(m+\frac{1}{2}){\mathrm{\λ}}_m$

L为多模微纳光纤的长度，n₁为多模微纳光纤中HE₁₁模的有效折射率，n₂为多模微纳光纤中HE₁₂模的有效折射率，Δn_eff为HE₁₁模和HE₁₂模有效折射率的差异量，环境折射率的改变，n₁和n₂也都会发生不同程度的改变，即Δn_eff将会发生变化并导致m级次的波谷的中心波长λm发生漂移，漂移量可表示为Δλ。

如图4所示，上述葡萄糖含量检测技术的信号解调方法，包括以下步骤：

标定灵敏度：如图4.1所示的数据处理流程图，首先配制浓度梯度为0.5mg/ml，浓度范围为0-3mg/ml的葡萄糖浓度溶液，采用上述传感测量方法测量不同葡萄糖浓度情况下的光谱，测量光谱漂移。其具体测量方法举例说明如下：图5是葡萄糖浓度为0和0.5mg/ml的光谱图，对两者选取光谱图上波谷位置靠近1530nm处的波谷，采用极值法找到其最低点，然后选取极值点附件的一段光谱，进行高斯拟合，分别获得浓度为0.5mg/ml下获得的波谷中心波长位置λ₁与浓度为0时得到的波谷中心波长位置λ₀。光谱漂移Δλ表示为：

Δλ=λ₁-λ₀

以葡萄糖的浓度为横轴，波谷的中心波长的漂移为纵轴，画出散点图做线性拟合，获得光谱漂移随葡萄糖浓度变化的曲线，曲线的斜率就为线性灵敏度S。

特定葡萄浓度测量：如图4.2所示：首先测得葡萄糖浓度为0时的干涉光谱，然后测量待测葡萄糖溶液的干涉光谱，对两者都选取靠近1530nm处的波谷，采用极值法找到其最低点，然后选取极值点附件的一段光谱，进行高斯拟合，获得两者波谷中心波长在光谱上的位置λ待测和λ₀，葡萄糖的浓度C，按照公式：

C＝Δλ×S＝(λ_待测-λ₀)×S

即可获得。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种微尺度光纤探针，其特征在于，所述微尺度光纤探针为一段直径为微米级的微纳光纤，所述微纳光纤表面修饰有葡萄糖氧化酶(GOD)，用于测量葡萄糖溶液中葡萄糖的含量。

2.一种权利要求1所述的微尺度光纤探针的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

取一根直径为微米级的微纳光纤，激活所述微纳光纤表面的氢氧基；

将所述微纳光纤浸入浓度为8-12mg/mL的葡萄糖氧化酶的醋酸钠混合溶液中，进行1.8-2.2小时的孵化；

然后用醋酸钠缓冲液清洗；

再采用去离子水清洗；

干燥。

3.根据权利要求2所述的用于测量葡萄糖含量的微尺度光纤探针的制备方法，其特征在于，所述激活微纳光纤表面的氢氧基，具体步骤为：

将所述微纳光纤浸入浓度为95％的H₂SO₄的H₂O₂溶液中0.8-1.2个小时。

4.根据权利要求2或3所述的用于测量葡萄糖含量的微尺度光纤探针的制备方法，其特征在于，所述微纳光纤浸入葡萄糖氧化酶的醋酸钠混合溶液中孵化之前，将所述微纳光纤浸入体积比为8％-12％的硅烷偶联剂酒精溶液30-50分钟，然后用去离子水和酒精清洗干净，以去除未附着在光纤表面的混合物。

5.一种基于微尺度光纤探针的葡萄糖浓度的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

将微尺度光纤探针置于待测葡萄糖溶液中，

宽谱光源发出的光波，通过第一光纤耦合器分别耦合进入参考臂和传感臂，其中参考臂由光衰减器和光延迟线构成，传感臂由微尺度光纤探针构成，两臂中传输的光波到达第二光纤耦合器汇合之后进入光谱分析仪，光谱分析仪上显示出干涉光谱；测量干涉光谱的变化，经过信号解调后，获得待测葡萄糖溶液中的葡萄糖含量。

6.根据权利要求5所述基于微尺度光纤探针的葡萄糖浓度的检测方法，其特征在于，所述信号解调包括以下步骤：

寻找所述干涉光谱上的特定级次波谷，用极值法找到该波谷的最低点，

在最低点附近选取一段光谱再进行高斯拟合，获得波谷的中心波长，

然后以葡萄糖的浓度为横轴，波谷在光谱上的位置为纵轴，画出散点图做线性拟合，获得光谱漂移随葡萄糖浓度变化的曲线，曲线的斜率就为灵敏度；将所述干涉光谱与葡萄糖浓度为0时的干涉光谱作对比，获得特定级次波谷的中心波长在光谱上位置的漂移量，所述漂移量与所述灵敏度的乘积即被测的葡萄糖溶液的浓度。

7.一种基于微尺度光纤探针的葡萄糖浓度的检测装置，其特征在于，包括宽谱光源，第一光纤耦合器，第二光纤耦合器，光衰减器，光延迟线，所述微尺度光纤探针，光谱分析仪，所述第一光纤耦合器通过光路分别连接参考臂和传感臂，所述参考臂由所述光衰减器、光延迟线构成，所述传感臂由所述微尺度光纤探针构成,两臂中传输的光波到达第二光纤耦合器汇合之后进入所述光谱分析仪。

8.一种基于微尺度光纤探针的葡萄糖浓度的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

将多模的所述微尺度光纤探针置于待测葡萄糖溶液中，

宽谱光源发出光波直接耦合进入所述多模的微尺度光纤探针，所述多模的微尺度光纤探针的另一端接入光谱分析仪，光谱分析仪上会显示出干涉光谱；测量干涉光谱的变化，经过信号解调后，获得待测葡萄糖溶液中的葡萄糖含量。

9.根据权利要求8所述基于微尺度光纤探针的葡萄糖浓度的检测方法，其特征在于，所述信号解调包括以下步骤：

寻找所述干涉光谱上的特定级次波谷，用极值法找到该波谷的最低点，

在最低点附近选取一段光谱再进行高斯拟合，获得波谷的中心波长，

然后以葡萄糖的浓度为横轴，波谷在光谱上的位置为纵轴，画出散点图做线性拟合，获得光谱漂移随葡萄糖浓度变化的曲线，曲线的斜率就为灵敏度；将所述干涉光谱与葡萄糖浓度为0时的干涉光谱作对比，获得特定级次波谷的中心波长在光谱上位置的漂移量，所述漂移量与所述灵敏度的乘积即被测的葡萄糖溶液的浓度。

10.一种基于微尺度光纤探针的葡萄糖浓度的检测装置，其特征在于，包括宽谱光源，多模的所述微尺度光纤探针，光谱分析仪，依次连接光路。