CN109655515A - 一种纳米复合结构修饰的光纤表面等离子共振传感器 - Google Patents

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张鹏豪
鲁冰玉
于海霞
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Abstract

本发明涉及生物医学传感器技术领域，公开一种纳米复合结构修饰的光纤表面等离子共振传感器，包括设置于光纤上的传感区域，所述传感区域自内向外由纤芯层、粘结层、传感电介质层和二维纳米材料层构成；所述传感区域长度范围在15±5mm。本发明相比于其他结构，MoS2‑石墨烯纳米复合结构能够利用MoS2的高光学吸收系数和石墨烯较大的表面积‑体积比的特性，极大提高了SPR传感器的检测性能，拥有体积小、灵敏度高、无毒无污染的优点。

Description

一种纳米复合结构修饰的光纤表面等离子共振传感器
技术领域
本发明涉及生物医学传感器技术领域，特别是涉及一种纳米复合结构修饰的光纤表面等离子共振传感器。
背景技术
随着人们生活水平的提高，饮食结构的变化以及生活方式的改变，人口老龄化以及肥胖发生率的增加，糖尿病的发病率呈逐年上升趋势。体内长期的高血糖状态会危及患者的身体健康，对多种器官以及神经系统造成严重损害。由于目前的医疗条件不足以治愈糖尿病，对血糖进行的有效监测和控制则成为了糖尿病治疗的首要任务。因此连续血糖监测对糖尿病诊治的重要意义越来越被人们所认识。
目前的血糖监测多采用快速指尖采血来检测血糖。由于检测方法的限制，血糖监测只能在孤立的时间点完成，其结果反映的是一天中某几个时刻的瞬间血糖。然而，瞬间血糖浓度容易受运动、饮食、药物、情绪波动等诸多因素的影响，存在着一定的片面性和不准确性。为了更全面地反映人体血糖浓度的变化，就必须实现血糖浓度的连续检测。无创和微创检测技术使得血糖浓度的连续检测成为可能。无创血糖检测技术不需要提取血液等体内物质，不需要将传感器植入皮下，依靠光与人体特定部位组织的相互作用来检测病人体内血糖浓度的变化，是最理想的人体血糖检测方法。微创血糖浓度检测技术是通过将传感器植入皮下或通过细胞间质液透皮抽取的方法来测量人体细胞间质液中葡萄糖浓度，再根据细胞间质液中葡萄糖浓度与血液中葡萄糖浓度的关系得到血液中葡萄糖浓度。微创血糖检测技术在最大限度地减少创伤的基础上，可实现人体血糖浓度的动态、连续监测，技术原理相对简单，具有可实现性强、使用方便、测量速度快等特点。
目前商用微创连续葡萄糖检测仪器基本采用酶催化的方法，即利用葡萄糖氧化酶等酶类催化人体组织液内的葡萄糖进行分解，分解的过程中伴有电子的转移，产生了可供探测电流，根据该电流大小可以得到相应的葡萄糖浓度。虽然该种方法可以配合先进的MEMS加工技术以达到小型化、操作简易的要求，但仍存在着两个重要问题。基于酶催化的检测方法基本原理是酶使葡萄糖消耗，但待测物的消耗会对测量结果产生一定的影响，使得结果不能准确反映待测物水平，而在低血糖的情况下葡萄糖消耗对测量准确度带来的影响更是不能忽略。同时，除了该化学反应中产生了电流，人体中也存在着生物电，因此测量过程中生物电对测量结果的干扰是不可避免的。以上这两个问题归结起来都是影响基于酶催化原理的连续血糖监测方法准确性的原因。
近年来一些研究人员将目光转移向了基于光学方法的连续血糖监测。光学检测由于不消耗待测物葡萄糖，并且不受生物电的电信号影响，成功克服了现有商品化的连续血糖监测仪器的缺点，因此具有巨大的发展空间。而其中表面等离子共振传感器因其对折射率极其敏感并且可以实现实时测量而被广泛用于生化检测中。
表面等离子共振(SPR)传感器因其实时测量、对折射率敏感等优势，在气体测量、生命科学、疾病诊断、食品监测等各个领域中具有广阔的发展前景。传统商用SPR生化检测装置多采用棱镜型结构，其体积庞大、价格昂贵，因此也有越来越多的研究转向了光纤SPR传感器，以试图将仪器小型化。小型化的SPR传感器拥有更加多样的发展可能，如与微流控芯片结合、作为植入式传感器等。但是传统的光纤SPR传感器面临着灵敏度普遍不高的问题，因此近几年也出现了许多对光纤SPR传感器进行修饰以提高其灵敏度的相关研究。
利用二维纳米材料对光纤SPR传感器进行修饰以提升传感器性能成为今年来的研究热点，虽然对于光纤SPR传感器表面修饰的研究很多，但是在光纤微米级的圆周表面直接构建纳米结构非常困难，现有的方法集中在利用电化学方法或化学方法进行纳米颗粒的生长、绑定、自组装等，但这些方法对于纳米颗粒的排布很难做到较好的控制，特别是对于图形化的排布。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种纳米复合结构修饰的光纤表面等离子共振(SPR)传感器。
本发明所采用的技术方案是：一种纳米复合结构修饰的光纤表面等离子共振传感器，包括设置于光纤上的传感区域，所述传感区域自内向外由纤芯层、粘结层、传感电介质层和二维纳米材料层构成；所述传感区域长度范围在15±5mm。
所述传感区域长度优选15mm。
所述光纤种类至少包括多模光纤、单模光纤、U型光纤、侧边抛磨光纤、卤化银光纤、锥型光纤中的任一种。
所述粘结层至少由金属铬或金属钛中任一种构成。
所述传感电介质层至少由金层、金属银、铂、铝、铜和硅中任一种构成。
所述二维纳米材料层由若干层数的二硫化钼、二硫化钨、二硒化钼和二硒化钨与若干层数的石墨烯的组合构成。
所述二维纳米材料层优选三层二硫化钼加单层的石墨烯。
本发明的基于MoS2-石墨烯纳米复合结构修饰的光纤SPR传感器，具有如下优点：
1、本发明提出的液相转移法可以将二维纳米材料修饰在微米尺度的传感器表面上，以实现对整个光纤SPR传感区域的覆盖，有效解决了非平面传感区域修饰不完全的难题，并可以将此方法扩展应用到任意形状的曲面上。
2、本发明提出的传感器相比于其他结构，MoS2-石墨烯纳米复合结构能够利用MoS2的高光学吸收系数和石墨烯较大的表面积-体积比的特性，极大提高了SPR传感器的检测性能，拥有体积小、灵敏度高、无毒无污染的优点。
附图说明
图1是本发明基于MoS2-石墨烯纳米复合结构修饰的光纤表面等离子共振传感器整体结构示意图；
图2是二维纳米材料层的结构示意图。
图中：1-纤芯层，2-涂覆层和包层，3-粘结层，4-传感电介质层，5-二维纳米材料层，6-单层MoS2，7-单层MoS2，8-单层MoS2，9-石墨烯。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种纳米复合结构修饰的光纤表面等离子共振传感器做出详细说明。
如图1所示，一种纳米复合结构修饰的光纤表面等离子共振传感器，所述光纤种类至少包括多模光纤、单模光纤、U型光纤、侧边抛磨光纤、卤化银光纤、锥型光纤中的任一种，包括设置于光纤上的传感区域，所述传感区域自内向外由纤芯层1、粘结层3、传感电介质层4和二维纳米材料层5构成；所述粘结层3至少由金属铬或金属钛中任一种构成，所述传感电介质层4至少由金层、金属银、铂、铝、铜和硅中任一种构成，所述二维纳米材料层5由若干层数的二硫化钼、二硫化钨、二硒化钼和二硒化钨与若干层数的石墨烯的组合构成，优选三层二硫化钼6,7,8加单层的石墨烯9，所述传感区域长度范围在15±5mm，最佳为15mm。
以下举出一个实施例说明：
该传感器的加工方法为：首先将光纤一段区域的涂覆层与包层剥去，漏出纤芯部分，然后在光纤表面热蒸镀铬膜和金膜，最后利用液相转移法将三层二硫化钼和单层石墨烯修饰到金膜表面，以实现对传感器灵敏度的提升。二维纳米材料层采用一种液相转移的修饰方法转移到传感器的金膜表面，是首次提出的一种新方法。
液相转移方法的步骤如下：
第1步，去包层处理：取长度约10cm长的多模光纤，在光纤的中间部分用刀片剥掉长约15±5mm的包层和涂覆层，并用刀片反复轻刮裸露出的纤芯表面以确保无包层残留。剥好之后按照去离子水-乙醇-丙酮-乙醇-去离子水的顺序将整个光纤擦洗干净，等待干燥。
第2步，蒸镀：采用热蒸发镀膜工艺对光纤进行加工，在一次镀膜过程中，先后在光纤表面蒸镀上固定厚度的铬和金。
第3步，将热蒸发镀膜后的光纤放于洁净的玻璃片上，并在传感区域滴上适合的去离子水，使得整个传感区包裹在水中。根据光纤传感区域尺寸计算得传感区域的平面展开大约为一个长为15±5mm，宽为2±1.5mm的矩形。将裁剪至与该矩形同样形状大小的MoS2放于液滴中，此时MoS2浮于水滴表面，用镊子将其移动至传感区域的正上方。
第4步，使用一次性塑料滴管将去离子水缓缓吸走，注意在吸水的过程中，用镊子轻触MoS2的表面保护层聚苯乙烯(PS)层，以保证MoS2一直处于传感区域正上方。最后用纸将剩余的去离子水全部吸走，此时，由于水的范德华力的作用使得MoS2完全贴合在圆周的金膜表面。
第5步，将传感器浸泡在装有甲苯溶剂的玻璃培养皿中2±1.5个小时，此时PS层会被清洗去除即完成了一次单层MoS2的转移过程。由于MoS2与金能够形成稳定的Au-S键，接触到金膜的部分再次侵入水中时不会掉落，因此对于多层MoS2的修饰，在清洗完上一层的表面保护层之后，再使用同样的办法转下一层即可。对于石墨烯来说，石墨烯的表面保护层为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，对应溶剂为丙酮，方法同上述转移MoS2。
本发明公开和揭示的所有组合可以通过借鉴本文公开内容产生，尽管本发明的组合已通过详细实施过程进行了描述，但是本领域技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本发明所述的装置进行拼接或改动，或增减某些部件，更具体地说，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容之中。

Claims (7)

1.一种纳米复合结构修饰的光纤表面等离子共振传感器，包括设置于光纤上的传感区域，其特征在于，所述传感区域自内向外由纤芯层、粘结层、传感电介质层和二维纳米材料层构成；所述传感区域长度范围在15±5mm。
2.根据权利要求1所述的一种纳米复合结构修饰的光纤表面等离子共振传感器，其特征在于，所述传感区域长度优选15mm。
3.根据权利要求1所述的一种纳米复合结构修饰的光纤表面等离子共振传感器，其特征在于，所述光纤种类至少包括多模光纤、单模光纤、U型光纤、侧边抛磨光纤、卤化银光纤、锥型光纤中的任一种。
4.根据权利要求1所述的一种纳米复合结构修饰的光纤表面等离子共振传感器，其特征在于，所述粘结层至少由金属铬或金属钛中任一种构成。
5.根据权利要求1所述的一种纳米复合结构修饰的光纤表面等离子共振传感器，其特征在于，所述传感电介质层至少由金层、金属银、铂、铝、铜和硅中任一种构成。
6.根据权利要求1所述的一种纳米复合结构修饰的光纤表面等离子共振传感器，其特征在于，所述二维纳米材料层由若干层数的二硫化钼、二硫化钨、二硒化钼和二硒化钨与若干层数的石墨烯的组合构成。
7.根据权利要求1所述的一种纳米复合结构修饰的光纤表面等离子共振传感器，其特征在于，所述二维纳米材料层优选三层二硫化钼加单层的石墨烯。
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