CN105158213A - 基于光纤表面等离子体共振的葡萄糖检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤表面等离子体共振的葡萄糖检测装置及方法，包括通过光纤依次连接的光源、起偏器、偏振控制器、传感器探头、滤波器和光电探测器；传感器探头包括刻有倾斜光纤光栅的光纤，光纤包层外表面镀有纳米级厚度的金属膜，光源发出的光经过起偏器和偏振控制器后入射到传感器探头刻有倾斜光纤光栅的光纤中，光纤中产生的包层模耦合至光纤包层外表面的金属膜，激发表面等离子体共振，传感器探头将光纤输出的含有等离子体共振波的光通过滤波器传送到光电探测器中。本发明在待测血清溶液中加入葡萄糖氧化酶生成过氧化氢腐蚀金属膜，通过光电探测器探测得到的光强能量随时间变化的响应速率得出血清溶液中葡萄糖浓度。

Description

基于光纤表面等离子体共振的葡萄糖检测装置及方法

技术领域

本发明属于光纤生物医学传感器设计领域，特别涉及一种基于光纤表面等离子体共振的葡萄糖检测装置及方法。

背景技术

糖尿病是人类最常见的疾病之一。依据世界健康组织2010年调查数据，世界范围内有超过2.85亿人口的糖尿病患者，并且预测这一数据到2030年会增加一倍。快速有效的血糖含量检测手段成为现代医学与大众患者的重要需求。在众多的血糖检测传感器中，电化学传感器居多，但此类传感器无法实现动态实时血糖含量检测，因此不能实时的掌握患者血液当前的血糖含量，为及时供药带来困难。高精度与微创化是未来血糖检测传感器的发展趋势。光纤传感技术以细如发丝的光纤为物理媒质，以光波为信息载体，具有结构小巧、灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、生物兼容性强等优点，成为近十年来发展最为迅速的生物传感技术之一。

在光纤生物传感研究的相关报道中，倾斜光纤光栅成为近些年的研究热点。在兼具常规光纤传感器特点之外，倾斜光纤光栅可激发数百个对周围环境敏感度不同的模式，因此大大丰富了其检测对象，并提高了测量精度。例如，利用一根倾斜光纤光栅，可实现折射率和温度的同时区分测量，这为复杂温变环境下微量生物变化信号的精确测量提供手段。随着倾斜光纤光栅制作工艺的日臻完善，其在生物医学检测领域中具有非常广阔的应用前景。

通过在光纤表面镀金、银等金属薄膜，可将满足相位匹配条件的倾斜光纤光栅包层模耦合至金属薄膜，形成等离子体共振波。较传统倏逝场效应的光纤传感方式，等离子体共振波具有更高的生物检测灵敏度，相关领域已成为国内外研究热点。已报道的等离子体共振光纤生物检测方法通常需要在金属镀膜表面修饰一层生物敏感膜，用以实现对待测生物样品的特异性检测。生物敏感膜的制备和绑定需要复杂的工艺，且在一定程度上影响了传感器的重复性和稳定应。此外，传统等离子体共振波的检测方法是基于波长检测方式，需要价格昂贵的精密波长解调仪，这也限制了此技术的推广应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种结构简单且检测精度高的基于光纤表面等离子体共振的葡萄糖检测装置。本发明无需在金属薄膜表面修饰生物敏感膜，并通过光强探测方式取代波长解调方法，不仅简化了葡萄糖检测装置的制备工艺，同时大大降低了装置成本。

本发明的第二目的在于提供一种基于上述葡萄糖检测装置的葡萄糖检测方法。

本发明的第一目的通过下述技术方案实现：一种基于光纤表面等离子体共振的葡萄糖检测装置，包括通过光纤依次连接的光源、起偏器、偏振控制器和传感器探头，还包括滤波器和光电探测器，所述传感器探头通过滤波器与光电探测器连接；

所述传感器探头包括刻有倾斜光纤光栅的光纤，所述光纤包层外表面镀有纳米级厚度的金属膜，光源发出的光经过起偏器和偏振控制器后入射到传感器探头刻有倾斜光纤光栅的光纤中，光纤中产生的包层模耦合至光纤包层外表面的金属膜，激发表面等离子体共振，传感器探头将光纤输出的含有等离子体共振波的光输入通过滤波器输入到光电探测器中；滤波器中心波长匹配光纤包层外表面所激发的表面等离子体共振波峰值衰减波长。

优选的，光纤中倾斜光纤光栅的倾角为10至25度，轴向为长度小于20mm。

优选的，光纤包层外表面镀有的金属膜为银膜、铜膜或者铝膜，其中金属膜的厚度为40至50nm。

优选的，光纤包层外表面通过磁控溅射方式镀上纳米级厚度的金属膜。

优选的，所述光源输出光谱为1400至1600nm，所述光源输出光谱的范围与传感器探头光纤中倾斜光纤光栅光谱匹配；滤波器带宽为2至5nm。

优选的，所述传感器探头光纤中倾斜光纤光栅通过准分子激光器及相位掩膜板方式写制而成。

本发明的第二目的通过下述技术方案实现：一种基于上述装置实现的基于光纤表面等离子体共振的葡萄糖检测方法，步骤如下：

S1、将传感器探头浸入葡萄糖待测血清溶液中，光源输出光经过起偏器后转变成偏振光，偏振控制器将偏振光的偏振方向调节成与传感器探头内倾斜光纤光栅写制方向相一致；

S2、在葡萄糖待测血清溶液中加入定量葡萄糖氧化酶，葡萄糖氧化酶催化葡萄糖产生过氧化氢腐蚀传感器探头光纤包层外表面的金属膜；

S3、与倾斜光纤光栅侧向写制方向一致的偏振光输入到正在感测葡萄糖待测血清溶液的倾斜光纤光栅中，倾斜光纤光栅将入射光从光纤纤芯耦合至光纤包层中，其中满足相位匹配条件的包层模可耦合至光纤包层外表面的金属膜，激发产生表面等离子体共振波，并在光纤透射谱中产生一个衰减包络；传感器探头输出的光通过该滤波器后，将含有表面等离子共振波衰减包络的光能量传输至光电探测器获得光强信息；

S4、随着传感器探头光纤包层外表面的金属膜被过氧化氢腐蚀，光纤包层外表面的金属膜厚度变小，金属膜表面的等离子体共振波激发条件被破坏，表面等离子体共振波衰减包络幅度减小，通过滤波器进入光电探测器的光强能量上升，根据探测得到的光强能量随时间变化的响应速率得出血清溶液中葡萄糖浓度。

优选的，偏振光为平行于倾斜光纤光栅写制方向的偏振光分量。

更进一步的，步骤S1中偏振光平行于倾斜光纤光栅写制方向的偏振方向通过光纤包层外表面的金属膜表面所激发的表面等离子体共振波的共振峰幅度来确定，即平行于倾斜光纤光栅写制方向时表面等离子体共振峰幅度最大。

优选的，所述步骤S4中光电探测器将温度变化引起的纤芯模波长漂移转变为光强变化信息，得到葡萄糖待测血清溶液的温度变化信息。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本发明在传感器探头光纤中刻上倾斜光纤光栅，并且在光纤包层外表面镀上金属膜，偏振光入射到刻有倾斜光纤光栅的光纤后，光纤中产生的包层模耦合至光纤包层外表面的金属膜，激发产生表面等离子体共振波，并在光纤透射谱中产生一个衰减包络，传感器探头输出的光通过该滤波器后，将含有表面等离子共振波衰减包络的光能量传输至光电探测器获得光强信息；本发明在葡萄糖浓度检测过程中，在待测血清溶液中加入葡萄糖氧化酶催化产生过氧化氢腐蚀光纤包层外表面金属膜，使得金属膜厚度变小，进而使得金属膜表面激发的表面等离子体共振波衰减包络幅度减小，不同浓度葡萄糖加入同量的葡萄糖氧化酶后产生的过氧化氢量也不同，因此对光纤包层外表面金属膜的腐蚀速度也不相同，过氧化氢量越多，腐蚀速度越快，金属膜表面激发的表面等离子体共振波衰减包络幅度减小的越快，而光电探测器的光强能量上升的越快。因此本发明通过光电探测器探测得到的光强能量随时间变化的响应速率能够精确的得出血清溶液中葡萄糖浓度。并且本发明无需在金属薄膜表面修饰生物敏感膜，通过光强探测方式取代波长解调方法，不仅简化了葡萄糖检测装置的制备工艺，同时大大降低了装置成本。具有检测过程简便且检测装置结构简单的优点。

(2)本发明通过添加葡萄糖氧化酶实现葡萄糖浓度检测的方法可实现葡萄糖特异性检测，由于血清中的其他成分不会因添加葡萄糖氧化酶而产生过氧化氢，因此本发明方法可特异性检测血清中葡萄糖。

(3)本发明较传统电化学传感器，基于光纤载体的光波传感方式具有相应速度快的特点，因此可实现葡萄糖浓度的实时监测。

(4)本发明由于光纤纤芯模仅对温度敏感，而对环境折射率不敏感；因此通过检测光纤纤芯模式，可实现温度信息的实时测量，进而消除温度变化对测量结果的影响，具有温度自补偿功能。

(5)本发明方法将高灵敏度表面等离子体共振技术由传统数十毫米尺度的三角棱镜替代为仅有百微米尺度的光纤探针，实现了传感器探头的小型化。此外，本发明传感器探头统将整个光路集成在一根光纤内实现(包含传感光波信息的获取与传输)，克服了传统三角棱镜方式中光波信息的空间耦合不稳定问题，具有集成度高且适合于微量生物溶液检测的优点。本发明通过有效控制入射光的偏振态，可实现光纤内特定包层模式与光纤表面金属薄膜内等离子共振波之间近100％的高效率能量耦合。

(6)本发明光纤包层外表面金属膜厚度为40至50nm，这种厚度的金属膜可确保等离子体共振以最佳效率激发，在金属膜腐蚀过程中，光纤输出光的透射谱中可获得明显且能量集中的等离子体共振波衰减包络幅度变化。

附图说明

图1是本发明葡萄糖检测装置的组成结构框图。

图2是本发明葡萄糖检测装置中传感器探头工作原理图。

图3是本发明葡萄糖检测装置中传感器探头光纤包层外表面金属膜在腐蚀前的光纤透射图。

图4是本发明葡萄糖检测装置中传感器探头光纤包层外表面金属膜在腐蚀后的光纤透射图。

图5是不同浓度的血清葡萄糖溶液通过本发明检测方法后光电探测器探测到的光强能量变化数据图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本实施例公开了一种基于光纤表面等离子体共振的葡萄糖检测装置，包括通过光纤依次连接的光源1、起偏器2、偏振控制器3、传感器探头4、滤波器5和光电探测器6；如图2所示，传感器探头4包括刻有倾斜光纤光栅7的光纤，光纤包层外表面镀有纳米级厚度的金属膜8，光源1发出的光经过起偏器2和偏振控制器3后入射到传感器探头4刻有倾斜光纤光栅的光纤中，光纤中产生的满足相位匹配条件的包层模耦合至光纤包层外表面的金属膜，激发表面等离子体共振，传感器探头将含有等离子体共振波9的光经过滤波器5后输入到光电探测器6中，通过光电探测器6获得光强度信息。其中滤波器中心波长匹配光纤包层外表面所激发的表面等离子体共振波峰值衰减波长。

在本实施例中传感器探头4光纤包层外表面通过磁控溅射方式镀上纳米级厚度的金属膜。本实施例光纤包层外表面镀有的金属膜为银膜，其中银膜的厚度为40至50nm，当然也可以为其他可被过氧化氢腐蚀且可产生等离子体共振波的金属膜，如铜膜或铝膜。本实施例中银膜40至50nm的厚度，可确保等离子体共振以最佳效率激发，在银膜从40至50nm的厚度被腐蚀的过程中，在光纤输出光的透射谱中可获得明显且能量集中的等离子体共振波衰减。

本实施例光纤中倾斜光纤光栅的倾角为10至25度，轴向为长度小于20mm，传感器探头光纤中倾斜光纤光栅通过准分子激光器及相位掩膜板方式写制而成。

本实施例中光源输出光谱为1400至1600nm，光源输出光谱的范围与传感器探头光纤中倾斜光纤光栅光谱匹配。本实施例中滤波器带宽为2至5nm。

本实施例中传感器探头光纤中倾斜光纤光栅能够激发上百个包层模，包层模间光谱呈梳妆分立，通过光纤包层外表面纳米金属镀膜，满足相位匹配条件的光纤包层模可有效耦合至包层外表面银膜，激发银膜表面等离子体共振波，表现为光纤输出光梳状透射谱中一个明显且能量集中的等离子体共振波衰减包络。

本实施例将传感器探头4浸入葡萄糖待测血清溶液中，在葡萄糖待测血清溶液中加入定量葡萄糖氧化酶，葡萄糖氧化酶催化葡萄糖产生过氧化氢腐蚀传感器探头光纤包层外表面的金属膜8；金属膜8被过氧化氢腐蚀，随着金属膜8被腐蚀，其厚度也慢慢变小，金属膜8表面激发的表面等离子共振波衰减包络幅度将逐渐减小；随着膜厚的不断变薄，倾斜光纤光栅包层模与其表面等离子体共振波的耦合条件被破坏，等离子体共振波将逐渐消失，即表面等离子共振波衰减包络幅度逐渐减小直至为零，通过滤波器进入光电探测器的光强能量逐渐上升至最大。由于不同浓度的葡萄糖在加入同量的葡萄糖氧化酶后，将产生不同量的过氧化氢，因此不同浓度葡萄糖在加入同量的氧化酶后对传感器光纤包层外表面金属膜腐蚀的速度不同，产生过氧化氢量多的葡萄糖溶液传感器光纤包层外表面金属膜被腐蚀的速度将更快，因此表面等离子体共振波衰减包络幅度减小的也将更快，通过滤波器进入光电探测器的光强能量上升速度更快，故本实施例通过光电探测器探测得到的光强能量随时间变化的响应速率得出血清溶液中葡萄糖浓度。

本实施例还公开了一种基于上述装置实现的基于光纤表面等离子体共振的葡萄糖检测方法，具体步骤如下：

S1、将传感器探头浸入葡萄糖待测血清溶液中，光源输出光经过起偏器后转变成偏振光，偏振控制器将偏振光的偏振方向调节成与传感器探头内倾斜光纤光栅写制方向相一致。本步骤中偏振光为平行于倾斜光纤光栅写制方向的偏振光分量。

S2、在葡萄糖待测血清溶液中加入定量葡萄糖氧化酶，葡萄糖氧化酶催化葡萄糖产生过氧化氢腐蚀传感器探头光纤包层外表面的金属膜。

S3、与倾斜光纤光栅侧向写制方向一致的偏振光输入到正在感测葡萄糖待测血清溶液的倾斜光纤光栅中，倾斜光纤光栅将入射光从光纤纤芯耦合至光纤包层中，其中满足相位匹配条件的包层模可耦合至光纤包层外表面的金属膜，激发产生表面等离子体共振波，并在光纤透射谱中产生一个衰减包络。传感器探头后端的滤波器中心波长与表面等离子体共振波衰减包络的中心波长一致，传感器探头输出光通过该滤波器后，将含有表面等离子共振波衰减包络的光能量传输至光电探测器获得光强信息；其中步骤S1中偏振光平行于倾斜光纤光栅写制方向的偏振方向通过光纤包层外表面的金属膜表面所激发的表面等离子体共振波的共振峰幅度来确定，即平行于倾斜光纤光栅写制方向时表面等离子体共振峰幅度最大。

S4、随着传感器探头光纤包层外表面的金属膜被过氧化氢腐蚀，光纤包层外表面的金属膜厚度变小，从而改变包层模与光纤包层外表面金属膜上等离子体共振波的耦合效率；金属膜表面激发的表面等离子体共振波光谱衰减幅度将逐渐减小，直至衰减完全消失零，即表面等离子体共振波消失；这一过程中，通过滤波器进入光电探测器的光强能量逐渐上升，根据探测得到的光强能量随时间变化的响应速率得出血清溶液中葡萄糖浓度。另外，光电探测器将温度变化引起的纤芯模波长漂移转变为光强变化信息，得到葡萄糖待测血清溶液的温度变化信息。

如图3所示为光纤包层外表面的金属膜被腐蚀前的光纤透射谱图，表面等离子体共振波衰减包络部分的透射谱如图3中的圆圈10所示，如图4所示为光纤包层外表面的金属膜被腐蚀完后光纤透射谱图，如图4中箭头所示，此时表面等离子体共振波消失，即金属膜被腐蚀到一定程度后，不再产生表面等离子体共振波，光电探测器探测到的光强能量将上升。

如图5所示为三种不同浓度的血清葡萄糖溶液通过本实施上述步骤后光电探测器探测到的光强能量变化数据图，在三种不同浓度的血清葡萄糖溶液中加入同量的葡萄糖氧化酶后，高血糖血清葡萄糖溶液由于葡萄糖浓度高，产生的过氧化氢的量最大，因此传感器探头光纤包层外表面金属膜被腐蚀的速率更快，所激发的等离子体共振波衰减包络幅度减小越快，因此光电探测器输出的光强能量的随时间变化的响应速率更快。

本实施例是通过添加葡萄糖氧化酶实现葡萄糖浓度检测的，由于血清中的其他成分不会因添加葡萄糖氧化酶而产生过氧化氢，因此本发明方法可特异性检测血清中葡萄糖。

由于传感器探头光纤纤芯模只对温度敏感，因此本实施例在葡萄糖浓度检测过程中同时实现温度的测量，进而消除温度变化对检测结果的影响。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光纤表面等离子体共振的葡萄糖检测装置，包括通过光纤依次连接的光源、起偏器、偏振控制器和传感器探头，其特征在于，还包括滤波器和光电探测器，所述传感器探头通过滤波器与光电探测器连接；

所述传感器探头包括刻有倾斜光纤光栅的光纤，所述光纤包层外表面镀有纳米级厚度的金属膜，光源发出的光经过起偏器和偏振控制器后入射到传感器探头刻有倾斜光纤光栅的光纤中，光纤中产生的包层模耦合至光纤包层外表面的金属膜，激发表面等离子体共振，传感器探头将光纤输出的含有等离子体共振波的光输入通过滤波器输入到光电探测器中；滤波器中心波长匹配光纤包层外表面所激发的表面等离子体共振波峰值衰减波长。

2.根据权利要求1所述的基于光纤表面等离子体共振的葡萄糖检测装置，其特征在于，光纤中倾斜光纤光栅的倾角为10至25度，轴向为长度小于20mm。

3.根据权利要求1所述的基于光纤表面等离子体共振的葡萄糖检测装置，其特征在于，光纤包层外表面镀有的金属膜为银膜、铜膜或者铝膜，其中金属膜的厚度为40至50nm。

4.根据权利要求1所述的基于光纤表面等离子体共振的葡萄糖检测装置，其特征在于，光纤包层外表面通过磁控溅射方式镀上纳米级厚度的金属膜。

5.根据权利要求1所述的基于光纤表面等离子体共振的葡萄糖检测装置，其特征在于，所述光源输出光谱为1400至1600nm，所述光源输出光谱的范围与传感器探头光纤中倾斜光纤光栅光谱匹配；滤波器带宽为2至5nm。

6.根据权利要求1所述的基于光纤表面等离子体共振的葡萄糖检测装置，其特征在于，所述传感器探头光纤中倾斜光纤光栅通过准分子激光器及相位掩膜板方式写制而成。

7.一种基于权利要求1所述装置实现的基于光纤表面等离子体共振的葡萄糖检测方法，其特征在于，步骤如下：

S1、将传感器探头浸入葡萄糖待测血清溶液中，光源输出光经过起偏器后转变成偏振光，偏振控制器将偏振光的偏振方向调节成与传感器探头内倾斜光纤光栅写制方向相一致；

S2、在葡萄糖待测血清溶液中加入定量葡萄糖氧化酶，葡萄糖氧化酶催化葡萄糖产生过氧化氢腐蚀传感器探头光纤包层外表面的金属膜；

S3、与倾斜光纤光栅侧向写制方向一致的偏振光输入到正在感测葡萄糖待测血清溶液的倾斜光纤光栅中，倾斜光纤光栅将入射光从光纤纤芯耦合至光纤包层中，其中满足相位匹配条件的包层模可耦合至光纤包层外表面的金属膜，激发产生表面等离子体共振波，并在光纤透射谱中产生一个衰减包络；传感器探头输出的光通过该滤波器后，将含有表面等离子共振波衰减包络的光能量传输至光电探测器获得光强信息；

S4、随着传感器探头光纤包层外表面的金属膜被过氧化氢腐蚀，光纤包层外表面的金属膜厚度变小，金属膜表面的等离子体共振波激发条件被破坏，表面等离子体共振波衰减包络幅度减小，通过滤波器进入光电探测器的光强能量上升，根据探测得到的光强能量随时间变化的响应速率得出血清溶液中葡萄糖浓度。

8.根据权利要求7所述的基于光纤表面等离子体共振的葡萄糖检测方法，其特征在于，偏振光为平行于倾斜光纤光栅写制方向的偏振光分量。

9.根据权利要求8所述的基于光纤表面等离子体共振的葡萄糖检测方法，其特征在于，步骤S1中偏振光平行于倾斜光纤光栅写制方向的偏振方向通过光纤包层外表面的金属膜表面所激发的表面等离子体共振波的共振峰幅度来确定，即平行于倾斜光纤光栅写制方向时表面等离子体共振峰幅度最大。

10.根据权利要求7所述的基于光纤表面等离子体共振的葡萄糖检测方法，其特征在于，所述步骤S4中光电探测器将温度变化引起的纤芯模波长漂移转变为光强变化信息，得到葡萄糖待测血清溶液的温度变化信息。