CN110596053B - 一种基于光纤表面等离子体共振的血糖浓度检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光纤表面等离子体共振的血糖浓度检测系统，涉及材料增敏基于表面等离子体共振(SPR)的光纤折射率生物传感器用于检测血糖浓度。在传统的光纤SPR传感器的金属层外涂覆氧化锌和二硫化钨材料，用于提高传感器结构的灵敏度与生物检测的兼容性。光纤生物传感器的灵敏度得以提高，就能被广泛应用于医药学和早期疾病诊断。

Description

一种基于光纤表面等离子体共振的血糖浓度检测系统
技术领域
本发明涉及生物传感器技术领域，具体涉及材料增敏基于表面等离子体共振的光纤折射率生物传感器用于检测血糖浓度，尤其涉及氧化锌和二硫化钨增敏的高灵敏度SPR生物传感器。
背景技术
糖尿病是一种威胁人们健康的常见代谢疾病，血糖检测是临床上糖尿病诊断和治疗的重要环节，但是有些血糖检测的方法不能实现实时检测和快速检测，因此，开发一种有效、灵敏、可靠的血糖浓度检测方法具有重要意义。近年来，已经提出光学传感的方法来检测溶液中葡萄糖的浓度，现在研究的热点主要是基于表面等离子体共振的生物传感器。表面等离子体共振(SPR)是一种物理光学现象，由入射光波和金属导体表面的自由电子相互作用产生。当一束P偏振光在一定的角度范围内入射到光纤内折射面，在与金属薄膜的界面处将产生表面等离子波。当入射光波的传播常数与表面等离子波的传播常数相匹配时，引起金属膜内自由电子产生共振。通常分析时，先在光纤传感器表面固定一层生物分子识别膜，然后将待测样品流过光纤表面，待测物与生物识别膜相互作用会引起金属表面折射率的变化，最终导致共振波长产生偏移量。在SPR检测技术中，就是通过测量SPR的光学信号，从而推测金属薄膜表面附着的被测物质(如溶液、生物分子等)的折射率、浓度等信息。SPR检测技术具有原理简单、待测物无需纯化、能实时、高精度地检测动态反应过程等优点。基于光学方法的连续血糖监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，对折射率及其敏感并且可以实现实时测量，小型化的光纤SPR传感器被广泛运用与生化检测中。由于葡萄糖氧化酶(GOx)对葡萄糖分子具有特异性吸附特性，所以选择GOx作为生物识别膜来检测血糖浓度，为了提高传感器对GOx的固化程度，可以通过静电吸附来将GOx直接固定在传感器上，但这种结构的不足是需要借助外力来固定GOx，其本身对GOx的的吸附性能不高。
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近年来的研究热点。二硫化钨WS2作为新兴的二维纳米材料，被认为是类石墨烯材料，具有较好的光响应性和高电子态密度，稳定的载流子迁移率，较大的比表面积，在光电传感领域具有很大的应用前景。如果SPR传感器的灵敏度可以得到提高，SPR技术就能被广泛应用于医药学和早期疾病诊断。
发明内容
本发明的目的在于解决现有光纤SPR生物传感器的灵敏度较低问题，提出一种高灵敏度的光纤SPR生物传感器，可用于检测血糖浓度。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
所述的一种基于光纤表面等离子体共振的血糖浓度检测系统，由宽带光源、输入光纤、液体池、表面等离子体共振光纤生物传感器、输出光纤、光谱仪以及计算机组成。液体池中是待测传感介质，光纤SPR探头浸置于液体池中。其原理为宽带光源发出近红外光，依次经过输入光纤、光纤SPR探头、输出光纤至光谱仪，在光谱仪上接收到具有表面等离子共振峰的光谱图。当将该表面等离子共振光纤生物传感器浸泡入被测血糖溶液中，分析光谱仪得到的光谱，结合波长偏移量与折射率的关系曲线，即可计算得到准确的血液中葡萄糖的浓度。本发明结构简单，易于操作。
所述的一种基于光纤表面等离子体共振的血糖浓度检测系统，其表面等离子体共振光纤生物传感器的特征在于：结构由纤芯、Au、ZnO、WS2组成。由于纳米级材料对其性能产生很大的影响，因此，即使很薄的涂层也可以通过改变电荷载流子的光吸收和空间分布来极大地改善纳米结构的光电性能。为了利用这些优势，在传统结构的金属表面上添加ZnO/WS2异质结构，将层状二维过渡金属硫化物(2D TMDs)材料与金属氧化物结合以产生优异的光学性能，提高光发射的效率。选择多模塑料包层二氧化硅光纤的中间一部分，将围绕纤芯的塑料包层去除后，涂覆薄40nm Au层，然后进一步涂覆5nm ZnO层和14层WS2层，此光纤结构最终被传感介质包围。应用于检测葡糖浓度，所以在WS2的外表面涂覆GOx，GOx会对葡萄糖分子进行特异性吸附，而不与溶液中的其他物质相互作用。
有益效果：
1、所述的一种基于光纤表面等离子体共振的血糖浓度检测系统，其表面等离子体共振光纤生物传感器的特征在于：结构为光纤表面附有40nm Au/5nm ZnO/14层WS2，灵敏度最高达到4310nm/RIU,高于传统光纤传感器的灵敏度。
2、ZnO/WS2异质结构，与纯ZnO相比，涂有少量WS2可以显著增强光电检测，并且光响应时间显着提高(近2个数量级)。且WS2不仅充当生物样品的有效吸附层，而且在提高灵敏度中起着重要作用。
综上，本发明解决了现有技术中在线传输式的光纤SPR传感器灵敏度低、生物分子吸附性低的问题，非常适于在生物传感等领域广泛推广。
附图说明
图1是本发明的基于光纤表面等离子体共振的血糖浓度检测系统的结构示意图。
图2是本发明的表面等离子体共振光纤生物传感器的表面修饰结构示意图。
图3是本发明的表面等离子体共振光纤生物传感器的不同折射率下波长和归一化发射功率的关系曲线仿真图。
图4是本发明的表面等离子体共振光纤生物传感器的外界折射率与共振峰波长的关系图。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的详细说明。
实施例
图1为本发明的基于表面等离子体共振的光纤折射率传感器应用于血糖浓度检测系统的结构示意图，如图所示，将本实验设计为：宽带光源(1)、输入光纤(2)、液体池(3)、光纤SPR传感器(4)、输出光纤(5)、光谱仪(6)、计算机(7)。其原理为宽带光源发出近红外光，依次经过输入光纤、表面等离子体共振光纤生物传感器、输出光纤至光谱仪，在光谱仪上接收到具有表面等离子共振峰的光谱图。由于表面等离子体共振锋的波长位置与外界折射率相关，而血糖浓度决定外界折射率。因此将光谱图结合波长偏移量与折射率的关系曲线，即可计算得到葡萄糖的浓度。
图2为本发明的光纤表面等离子体共振的光纤表面修饰结构示意图。如图所示，本发明的表面等离子体共振光纤传感器的修饰过程是先在光纤(8)外镀一层40nm的Au膜(9)，再选择高折射率材料ZnO(10)涂覆5nm到金属的外层，不仅可以增强灵敏度还可以防止金属层被氧化，接着在外层沉积WS2膜层(11)，作为最外层传感层来检测血液的葡萄糖浓度。(12)为光纤外的包层。WS2材料具有较大的比表面积和均匀的孔结构，有助于GOx(13)在其表面的吸附，进而促进对葡萄糖分子(14)的选择，还可以保证葡萄糖分子的运输的通畅，确保其与葡萄糖氧化酶有效的接触，此外这种孔状结构会缩短表面的酶活性中心的电子传输距离，从而提高电子的电子传输能力。
图3为本发明的基于表面等离子体的光纤生物传感器对不同折射率溶液的波长和归一化发射功率关系仿真图，仿真结构为Au/ZnO/WS2的SPR光纤传感器的性能。周边环境设置为折射率不同的液体以模仿不同浓度的血糖，折射率依次设为1.33、1.34、1.35、1.36、1.37。横坐标为透射光波长，纵坐标为归一化光强。由图可知，随着折射率的增加，SPR波谱会产生红移。
图4为本发明的基于表面等离子体共振的光纤折射率生物传感器的外界折射率与共振峰波长的关系图。横坐标为外界折射率，纵坐标为共振峰波长。由图可知，外界折射率与其所对应的共振峰波长呈线性关系。由于ZnO层和WS2层的存在，SPR共振波长的变化比只有Au时大，灵敏度更高。图4是当Au厚度为40nm，ZnO厚度为5nm，WS2为14层时折射率与共振波长的关系曲线，为y＝4310x-4692.3，线性拟合度为0.99，灵敏度达到4310nm/RIU，而传统仅镀Au膜的光纤SPR传感器的灵敏度为2925nm/RIU，Au/ZnO膜结构的光纤SPR传感器的灵敏度为3161nm/RIU，所以与没有修饰ZnO和WS2的光纤SPR传感器相比所述结构的灵敏度更高，且在此结构外修饰GOx的方法来检测葡萄糖的浓度的方法效果更好。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于光纤表面等离子体共振的血糖浓度检测系统，由宽带光源、输入光纤、表面等离子体共振光纤生物传感器、输出光纤、光谱仪以及计算机依次连接组成，表面等离子体共振光纤生物传感器浸置于一液体池中，所述液体池中盛装待测血糖溶液；所述表面等离子体共振光纤生物传感器是由纤芯及其外表面依次镀覆固定的Au层、ZnO层、WS2层组成的四层系统，WS2外表面镀覆固定一层GOx。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤表面等离子体共振的血糖浓度检测系统，其特征在于：所述纤芯是直径为600μm的多模光纤，Au层的厚度为40nm，ZnO层薄膜的厚度为5nm，WS2为14层，每层的厚度为0.8nm。
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