CN110672564A - 氧化石墨烯光纤光栅的纳米金壳lspr光极生物传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光极生物分子传感器，具体涉及一种氧化石墨烯光纤光栅的纳米金壳LSPR光极生物传感器包括光纤纤芯，光纤包层，光纤涂覆层，光纤纤芯的末端有大角度倾斜光纤光栅，大角度倾斜光纤光栅的包层表面的涂覆层完全被去除，大角度倾斜光纤光栅末端的端面鍍有银反射膜，大角度倾斜光纤光栅的包层表面有硅烷层，硅烷层表面固定有纳米金壳粒子层，固定有纳米金壳粒子层的表面吸附有氧化石墨烯层，氧化石墨烯层的表面固定有生物分子敏感层。采用本发明方案的光极生物传感器结构，可增加光波消逝场所激发的LSPR与生物分子的作用距离，且便于集成和应用，具有很高的鲁棒性，可应用于生物、医学、环境监测、食品安全、生命科学等领域。

Description

氧化石墨烯光纤光栅的纳米金壳LSPR光极生物传感器

技术领域

本发明涉及一种光极生物分子传感器，具体为一种氧化石墨烯光纤光栅的纳米金壳LSPR光极生物传感器。

背景技术

石墨烯具有大比表面积、高电子迁移率、高电导率、生物分子亲和性等优异的特性，其氧化物——氧化石墨烯，还其含有丰富的含氧功能团如羧基、羟基等，有利于与生物分子等进行共价或非共价方式相连接。因此，将石墨烯、氧化石墨烯等二维材料与传统的电化学、压电、光学(如：表面等离子体共振传感器、各种类型的光纤传感器)传感器相结合构成的生化传感技术得到了广泛的研究。

在生化检测领域，表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，简称SPR)传感器是一种对外部介质折射率(Refractive Index，简称RI)十分敏感的光学传感器。而使用各种纳米金颗粒(如：金纳米球、星型金纳米颗粒、金纳米棒、金纳米笼、金纳米壳等)代替金膜形成局部性的SPR效应(Local SPR，简称LSPR)，由于LSPR的局域场增强效应，可进一步增强在生化检测方面的灵敏度。目前，已商用化的LSPR传感器大都是基于角度检测的Kretschmann棱镜耦合结构，如图1所示，但该类LSPR传感器的体积大、扫描时间长、价格昂贵。由于光纤具有耐腐蚀、抗电磁干扰、体积小及可远程传感等优点，可将各种光纤材料、器件作为激励平台以实现LSPR传感器的微型化，如：基于多模石英(或聚合物材料)光纤、异芯结构光纤或光子晶体光纤等的LSPR传感器等，这些都属于纯光纤型的LSPR传感器的类型，但它们大多存在一个主要问题：LSPR峰的谐振带宽一般在几十纳米到一百多纳米之间，因此传感器的品质因素(即，Q值)很低。

因此，为克服纯光纤型LSPR传感器的品质因素(即，Q值)很低的问题，近年来提出基于光纤光栅型的LSPR传感器，主要包括三类：基于长周期光纤光栅(LPFG)、去除包层的光纤Bragg光栅(FBG)、小角度(<11°)倾斜光纤Bragg光栅(TFBG)的传感器。其中，LPFG是透射型光栅，而且具有太高的温度、应变的交叉敏感性，实用性不强；去除包层FBG的机械性能有所降低，而小角度TFBG在近红外波段(1200nm～1700nm)具有众多密集的窄线宽包层模，因此不需要太复杂的设计，通过在其表面上固定纳米金颗粒即可很容易的激发LSPR效应，但小角度TFBG-LSPR传感器的RI灵敏度远低于传统多模光纤SPR传感器，而且，其损耗谱中的窄线宽包层模过于密集和众多，如图2所示，因此实际应用中对其LSPR峰的精确定位不方便。

当前，随着以上包括石墨烯材料、光纤光栅传感技术、LSPR传感技术等学科的发展，将石墨烯(氧化石墨烯)、光纤光栅传感技术、LSPR传感技术各自的优点融合起来，是制作高性能、实用性强和稳定性强的光纤光栅LSPR生物分子传感器的重要技术趋势之一。

但是，综合以上已有的光纤LSPR技术存在的共性问题是：1)大都是采用检测透射光谱的方式，光源和光谱分析仪分别在传感器的两端，不便于实际的集成和使用；2)纳米金颗粒对生物分子的绑定能力相对较弱(～1pg/mm2)，导致生化传感器的检测范围较小。其他个性问题是：1)基于纯光纤型的LSPR传感器所激发的LSPR谱都是处于500nm～900nm之间的某个波长范围，且带宽一般>50nm，如图3所示为纯光纤型的LSPR传感器随待测物质分子浓度增加的示意图，因此传感器的Q值很低，而且大多都需要腐蚀或研磨光纤包层才能以激发LSPR，于是降低了传感器的机械强度和鲁棒性；2)小角度TFBG-LSPR传感器在通信波段(1500nm～1600nm)谐振谱包络内的包层模过于密集和众多，实际应用中对LSPR峰的精确定位不方便。

发明内容

本发明为了解决克服纯光纤型LSPR传感器的品质因素很低的问题，提供一种氧化石墨烯光纤光栅的纳米金壳LSPR光极生物传感器。

本发明提供基础方案是：氧化石墨烯光纤光栅的纳米金壳LSPR光极生物传感器，光纤纤芯的末端连接有大角度倾斜光纤光栅，光纤包层具有纤芯段与光栅段，纤芯段的内表面包覆于光纤纤芯的外表面，纤芯段的外表面包覆有光纤涂覆层，光栅段包覆大角度倾斜光纤光栅的外表面，光纤包层的光栅段的外表面包覆有硅烷层，硅烷层5外表面有包覆有纳米金壳粒子层，大角度倾斜光纤光栅的末端与光纤包层末端的端面均鍍有银反射膜，进一步，纳米金壳粒子层的表面包覆有氧化石墨烯层，进一步，氧化石墨烯层的表面固定有生物分子敏感层。

进一步，所述大角度倾斜光纤光栅的倾斜条纹的倾斜角度为60°～85°之间。

进一步，光栅周期为25μm～40μm之间。

进一步，纳米金壳粒子层的外径为150nm～200nm之间。

进一步，所述大角度倾斜光纤光栅的长度在20mm～30mm之间。

进一步，纤芯模到包层模光能量的耦合>20dB。

进一步，银反射膜的反射率>90％，氧化石墨烯的层数在5～15层之间。

与现有技术相比，本方案的优点在于：

1)本发明以纳米金壳粒子作为激发LSPR的载体，壳体外径尺寸设计在150nm～200nm之间，可保证其LSPR效应的共振吸收光谱能够覆盖500nm～1600nm，光纤表面硅烷层的作用主要是用于通过静电方式或共价键方式固定纳米金壳粒子。

2)本发明以大角度倾斜光纤光栅为激发其表面纳米金壳粒子LSPR的平台。大角度倾斜光纤光栅的倾斜角度在60°～85°之间，光栅周期在25μm～40μm之间，同时由于大角度倾斜光纤光栅的大角度倾斜条纹造成的光纤双折射效应，因此其光谱具有很强的偏振相关性，能将纤芯基模耦合到正向传播的高阶包层模的TM/TE模，其在1250nm～1650nm的透射谱存在一系列间距几十nm的偏振相关谐振峰，如图5所示为某个大角度倾斜光纤光栅的全光谱；可通过调节入射线偏振光的偏振方向只激发其中每个偏振相关谐振峰TM模、TE模，或同时等强度激发TM模和TE模，如图6所示为某个大角度倾斜光纤光栅在通信波段(即，C/L波段)的TM模和TE模偏振相关特征谱。因此，大角度倾斜光纤光栅在1250nm～1650nm的透射谱内的任何一个高阶包层模谐振峰的TM模式或TE模，都可在大角度倾斜光纤光栅的表面以纳米金壳粒子为载体引起LSPR的共振吸收。此外，大角度倾斜光纤光栅的TM模或TE模的光谱带宽为2nm～4nm之间，因此该传感器相比于纯光纤型LSPR传感器，具有很高的Q值。

3)在大角度倾斜光纤光栅末端的端面镀高反射率的银反射膜，其作用在于对大角度倾斜光纤光栅的高阶包层模的TM模或TE模进行反射，反射之后的光能量通过大角度倾斜光纤光栅又重新耦合回到光纤纤芯中传播，从而构成本发明的“大角度倾斜光纤光栅的纳米金壳LSPR光极”的形式，该结构便于实际应用中的集成和使用，具有很高的鲁棒性。此外，本发明可增加光波消逝场所激发的LSPR波与外部生物分子的作用长度，从而增大传感器的灵敏度。

4)在纳米金壳颗粒层上附着氧化石墨烯层，氧化石墨烯层上附有对待测物特异性敏感的生物分子敏感层，氧化石墨烯层具有很大的比表面积，能够极大的增加单位体积内对敏感层生物分子的有效吸附位点，从而能够极大的提高传感器对待测物浓度的检测范围。当目标生物分子与生物分子敏感层进行结合的时候，将引起LSPR吸收谱强度的变化，同时改变包层模的有效折射率，从而导致反射的谐振波长的变化，LSPR吸收谱强度和谐振波长的变化大小与目标生物分子的浓度在一定的检测范围内是呈正比例关系的，通过反射端的光谱分析仪检测LSPR吸收谱强度和谐振波长的变化，则可计算出目标生物分子的浓度等信息。

5)另一方面，氧化石墨烯对纳米金壳粒子的LSPR效应具有一定的增强效应，进一步增加本方案的灵敏度。

6)由于大角度倾斜光纤光栅在1250nm～1650nm的透射谱内的任何一个高阶包层模温度灵敏度为3.0pm/℃～7.0pm/℃，比传统FBG传感器的温度系数都还低，因此，以大角度倾斜光纤光栅为平台激发纳米金壳的LSPR效应具有非常良好的温度稳定性。

本发明具有一般光纤LSPR传感器的优越性，传感器尺寸小、轻，折射率灵敏度高。本方案结构紧凑、独特巧妙，在大角度倾斜光纤光栅的表面固定纳米金壳粒子层，并在其一端的端面涂覆高反射率银膜，该反射式的结构便于实际应用中的集成和使用，具有很高的鲁棒性。而传感器的最关键之处是，纳米金壳粒子壳体外径尺寸设计在150nm～200nm之间，可保证其LSPR效应的共振吸收光谱能够覆盖500nm～1600nm，则大角度倾斜光纤光栅在1250nm～1650nm的透射谱内的任何一个高阶包层模谐振峰的TM模或TE模，都可在以纳米金壳粒子层为载体引起LSPR的共振吸收。

更进一步，在纳米金壳粒子层上固定氧化石墨烯层，极大的增加单位体积内对敏感层生物分子的有效吸附位点，克服了以往光纤LSPR传感器对生物分子检测的动态范围低的缺点，同时对纳米金壳粒子的LSPR效应具有一定的增强效应，进一步增加传感器的灵敏度。总之，本发明“氧化石墨烯光纤光栅的纳米金壳LSPR光极生物传感器”，集合了所有以往光纤LSPR传感器的优点，又避规了各种光纤LSPR传感器的缺点，可广泛应用于生物、医学、环境监测、食品安全、生命科学等领域的生化物质分子的超痕量检测，比如DNA/RNA/miRNA、抗体/抗原、细菌、病毒等。

附图说明

图1为棱镜LSPR传感器结构；

图2为小角度TFBG-LSPR传感器的透射光谱示意图；

图3为纯光纤型LSPR传感器光谱随折射率变化示意图。

图4为实验得到的纳米金颗壳粒子的LSPR共振吸收光谱示意图。

图5为某个大角度倾斜光纤光栅(a)在1250～1650nm的透射谱特征；

图6为在C/L波段内的TM模全激励和TE模全激励以及TM模/TE模等激励的偏振相关特征谱。

图7为本发明氧化石墨烯光纤光栅的纳米金壳LSPR光极生物传感器实施例中的结构示意图。

图8为本发明氧化石墨烯光纤光栅的纳米金壳LSPR光极生物传感器实施例的光路传输示意图。

图9为本发明氧化石墨烯光纤光栅的纳米金壳LSPR光极生物传感器的传感系统示意图。

图10为本发明氧化石墨烯光纤光栅的纳米金壳LSPR光极生物传感器的光谱信号变化示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

附图标记说明：光纤纤芯1、光纤包层2、光纤涂覆层3、大角度倾斜光纤光栅4、硅烷层5、纳米金壳粒子层6、氧化石墨烯层7、生物分子敏感层8、银反射膜9、带宽光源10、光纤起偏器11、光纤偏振控制器12、3dB耦合器13、氧化石墨烯光纤光栅的纳米金壳LSPR光极生物传感器14、光谱分析仪15、计算机16。

实施例基本如附图4所示：

本实施例包括：光纤纤芯1、光纤包层2、光纤涂覆层3，光纤纤芯1的末端连接有大角度倾斜光纤光栅4，光纤包层2具有纤芯段与光栅段，纤芯段包覆光纤纤芯1的外表面，光纤涂覆层3包裹纤芯段的外表面，光栅段包覆大角度倾斜光纤光栅4的外表面，大角度倾斜光纤光栅4的末端与光纤包层2末端的端面均鍍有银反射膜9，光纤包层2的光栅段的外表面包覆有硅烷层5，硅烷层5外表面包覆有纳米金壳粒子层6，纳米金壳粒子层6的表面包覆有氧化石墨烯层7，氧化石墨烯层7的表面固定有生物分子敏感层8；所述大角度倾斜光纤光栅的倾斜条纹的倾斜角度为60°～85°之间，光栅周期为25μm～40μm之间，纳米金壳粒子层的纳米金壳粒子壳体的外径为150nm～200nm之间，以保证其LSPR效应的特征吸收光谱覆盖500nm～1600nm。

具体制作本发明所述的氧化石墨烯光纤光栅的纳米金壳LSPR光极生物传感器包括以下步骤：

1)第一步，大角度倾斜光纤光栅的制作，采用波长为244nm的倍频Ar+激光器和扫描振幅掩模板技术在经过载氢处理的单模光纤内写入大角度倾斜光纤光栅，大角度倾斜光纤光栅的光栅倾斜角度为60°～85°之间，光栅周期在25μm～40μm之间，制作好大角度倾斜光纤光栅后，将其放置在80℃的自然对流烘箱中进行退火处理，以获得光栅的稳定光谱特性；

2)第二步，反射膜制备，使用光纤切割刀切割大角度倾斜光纤光栅某一端的端面，并保证端面垂直轴面，然后将大角度倾斜光纤光栅被切割的端面浸入已制备好的多伦试剂，即硝酸银0.1M，640uL和氢氧化钾KOH 0.8M，440uL混合液，加入氨水30％，w/w，2滴并搅拌致沉淀溶解，最后加入葡萄糖(右旋糖)溶液0.25M，64uL，大约30分钟，取出在空气中风干，在大角度倾斜光纤光栅的一端端面遍覆盖一层高反射率的银膜；

3)第三步，光纤表面的羟基化处理，将大角度倾斜光纤光栅浸入取8mg/mL温度为40℃的NaOH溶液浸泡光栅3.5h，然后再常温浸泡30min，最后用去离子水反复冲洗大角度倾斜光纤光栅表面，去除多余杂质(10min左右)，50℃烘干10min；

4)第四步：硅烷化，在80°的对流烘箱中使用MPTMS溶液(1％体积浓度，冰醋酸配置)浸泡大角度倾斜光纤光栅8～12min以在光栅表面生成巯基基团(‘-SH’)；

5)第五步：固定纳米金壳粒子层，将大角度倾斜光纤光栅浸入经过离心的纳米金壳溶液约12h，纳米金壳粒子将通过金硫键与光栅表面的MPTMS分子进行共价结合；

6)第六步：纳米金壳粒子层的氨基化，将固定纳米金壳粒子层后的大角度倾斜光纤光栅浸泡在浓度为10M的乙醇胺(MEA)溶液溶液中1h(室温)，然后用去离子水清洗两到三次；

7)第七步：固定氧化石墨烯层，将经过第六步的大角度倾斜光纤光栅浸入经过离心的氧化石墨烯分散液，由于乙醇胺(MEA)溶液溶液可将纳米金壳粒子氨基化，使纳米金壳粒子层表面带有氨基(-NH2)，因此纳米金壳粒子层表面与氧化石墨烯的羧基(-COOH)脱水缩合以肽键的形式结合；

8)第八步：固定生物分子敏感层，将固定氧化石墨烯层后的大角度倾斜光纤光栅浸入对目标待测物具有特异性识别的生物分子敏感液(比如：单克隆抗体、寡核苷酸适体等)，则生物分子将通过化学键的方式与氧化石墨烯上的官能团(如：羧基、羟基或氨基)结合。

如图5所示，是氧化石墨烯光纤光栅的纳米金壳LSPR光极生物传感器的光路传输原理：通过外部偏振控制器调节入射线偏振光λco的偏振方向，当经过大角度倾斜光纤光栅时，使其完全激发大角度倾斜光纤光栅的包层模的TM模或TE模的谐振波长。TM模或TE模的倏逝场在渡越光纤包层过程中，与其表面的纳米金壳粒子发生作用，由于纳米金壳粒子层的LSPR共振吸收覆盖了C/L波段，因此，将引起纳米金壳粒子的LSPR波的共振吸收；当传播到光栅的末端，被其末端端面的银反射膜反射进行反向传播，反向传播的再次引起纳米金壳粒子的LSPR波共振吸收，同时逐步被大角度倾斜光纤光栅的耦合至纤芯中传播。

在实际应用中，可将氧化石墨烯光纤光栅的纳米金壳LSPR光极生物传感器构成系统，如图6所示，带宽光源10发出的随机偏振宽带光(1250nm～1650nm)通过单模光纤传播到光纤起偏器11，再通过光纤偏振控制器12改变线偏振光的偏振方向，然后通过3dB耦合器13传输到氧化石墨烯光纤光栅的纳米金壳LSPR光极生物传感器14，通过调整光纤偏振控制器11可以使得大角度倾斜光纤光栅在C/L波段的高阶包层模完全工作于TM模或TE模状态，从而高效的纳米金壳粒子的LSPR波共振吸收，高阶包层模的TM模或TE模被银膜反射并反向传播再次引起纳米金壳粒子的LSPR波共振吸收，同时逐步被大角度倾斜光纤光栅耦合至纤芯中传播，反射波传输到3dB耦合器13将被耦合到另外一个端口输出，传输至光谱分析仪15，光谱分析仪15解调反射光谱的谐振波长及强度的变化，这将反映被测目标生物分子的量的变化，光谱分析仪15将分析数据传输到计算机16进行分析计算。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (8)

1.氧化石墨烯光纤光栅的纳米金壳LSPR光极生物传感器，其特征在于：包括光纤纤芯、光纤包层，光纤纤芯的末端连接有大角度倾斜光纤光栅，光纤包层具有纤芯段与光栅段，纤芯段的内表面包覆于光纤纤芯的外表面，纤芯段的外表面包覆有光纤涂覆层，光栅段包覆大角度倾斜光纤光栅的外表面，光纤包层的光栅段的外表面包覆有硅烷层，硅烷层5外表面有包覆有纳米金壳粒子层，大角度倾斜光纤光栅的末端与光纤包层末端的端面均鍍有银反射膜，纳米金壳粒子层的表面包覆有氧化石墨烯层，氧化石墨烯层的表面固定有生物分子敏感层。

2.根据权利要求1所述的氧化石墨烯光纤光栅的纳米金壳LSPR光极生物传感器，其特征在于：所述大角度倾斜光纤光栅的倾斜条纹的倾斜角度为60°～85°之间。

3.根据权利要求1所述的氧化石墨烯光纤光栅的纳米金壳LSPR光极生物传感器，其特征在于：光栅周期为25μm～40μm之间。

4.根据权利要求1所述的氧化石墨烯光纤光栅的纳米金壳LSPR光极生物传感器，其特征在于：纳米金壳粒子层的外径为150nm～200nm之间。

5.根据权利要求1所述的氧化石墨烯光纤光栅的纳米金壳LSPR光极生物传感器，其特征在于：所述大角度倾斜光纤光栅的长度在20mm～30mm之间。

6.根据权利要求1所述的氧化石墨烯光纤光栅的纳米金壳LSPR光极生物传感器，其特征在于：纤芯模到包层模光能量的耦合>20dB。

7.根据权利要求2所述的氧化石墨烯光纤光栅的纳米金壳LSPR光极生物传感器，其特征在于：银反射膜的反射率>90％，氧化石墨烯的层数在5～15层之间。

8.一种制作如权利要求1所述氧化石墨烯光纤光栅的纳米金壳LSPR光极生物传感器的方法，其特征在于包括如下步骤：

1)大角度倾斜光纤光栅的制作，采用波长为244nm的倍频Ar+激光器和扫描振幅掩模板技术在经过载氢处理的单模光纤内写入大角度倾斜光纤光栅，大角度倾斜光纤光栅的光栅倾斜角度为60°～85°之间，光栅周期在25μm～40μm之间，制作好大角度倾斜光纤光栅后，将其放置在80℃的自然对流烘箱中进行退火处理，以获得光栅的稳定光谱特性；

2)反射膜制备，使用光纤切割刀切割大角度倾斜光纤光栅某一端的端面，并保证端面垂直轴面，然后将大角度倾斜光纤光栅被切割的端面浸入已制备好的多伦试剂中25～35分钟，取出在空气中风干，在大角度倾斜光纤光栅的一端端面遍覆盖一层高反射率的银膜；

3)光纤表面的羟基化处理，将大角度倾斜光纤光栅浸入取8mg/mL温度为40℃的NaOH溶液浸泡光栅3.5h，然后再常温浸泡30min，最后用去离子水反复冲洗大角度倾斜光纤光栅表面，去除多余杂质，50℃烘干10min；

4)硅烷化，在80°的对流烘箱中使用冰醋酸配置的1％体积浓度的MPTMS溶液浸泡大角度倾斜光纤光栅8～12min以在光栅表面生成巯基基团；

5)固定纳米金壳粒子，将大角度倾斜光纤光栅浸入经过离心的纳米金壳溶液12h左右，纳米金壳粒子将通过金硫键与光栅表面的MPTMS分子进行共价结合；

6)纳米金壳粒子层的氨基化，室温下将固定纳米金壳粒子层后的大角度倾斜光纤光栅浸泡在浓度为10M的乙醇胺溶液中1h，然后用去离子水清洗干净；

7)固定氧化石墨烯层，将经过第六步的大角度倾斜光纤光栅浸入经过离心的氧化石墨烯分散液，使纳米金壳粒子层表面带有的氨基与氧化石墨烯的羧基脱水缩合，以肽键的形式结合；

8)固定生物分子敏感层，将固定氧化石墨烯层后的大角度倾斜光纤光栅浸入对目标待测物具有特异性识别的生物分子敏感液，使生物分子将通过化学键的方式与氧化石墨烯上的官能团结合。

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