CN113203712B - 一种基于金纳米复合材料光纤的反射式葡萄糖传感器及测量系统 - Google Patents

一种基于金纳米复合材料光纤的反射式葡萄糖传感器及测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于金纳米复合材料光纤的反射式葡萄糖传感器及测量系统。光纤采用掺杂有金纳米颗粒的葡萄糖敏感水凝胶材料为基体材料，同时利用银镜反应对光纤端面进行化学镀膜，增加信号光与传感光纤的作用长度，从而提高传感光纤探测的灵敏度。相比于透射式光纤传感器，反射式传感结构可以通过单个插入点进行葡萄糖监测，具有结构紧凑、安装方便及可靠性好等优势。葡萄糖分子与传感光纤中修饰的葡萄糖敏感官能团发生特异性结合，导致光纤体积变化，从而改变金纳米颗粒的局域表面等离子体共振(LSPR)吸收强度。通过检测反射光信号的LSPR峰值强度变化，可实现对葡萄糖的实时、定量检测。

Description

一种基于金纳米复合材料光纤的反射式葡萄糖传感器及测量 系统
(一)技术领域
本发明涉及的是一种基于金纳米复合材料光纤的反射式葡萄糖传感器及测量系统，用于连续长期血糖监测，属于光学检测及有机材料应用技术领域。
(二)背景技术
葡萄糖是参与人体生命活动的重要物质之一，健康的人体血糖范围为4-8mM，而糖尿病患者的血糖浓度远高于这个浓度，过高的血糖浓度打破了人体各系统的协调从而严重影响人体的健康。此外，血糖波动过大，还可能诱发许多严重的并发症，包括肾功能衰竭、神经病变、心血管疾病等。2019年，全球糖尿病患者人数高达4.63亿，预计到2045年将增至6.29亿，糖尿病已经发展为一种全球性的公共健康问题。血糖控制对于最大程度地减少与糖尿病相关的并发症至关重要。目前，胰岛素注射是糖尿病最为科学合理的临床治疗手段，能够有效地将血糖控制在正常水平。胰岛素的注射剂量需要根据人体血糖浓度变化来精确调整，如果控制不当会导致低血糖甚至休克等严重的不良反应。因此，血糖监测也就成为了糖尿病护理中最为关键的环节。传统的血糖监测采用的是单点式葡萄糖传感器，对于需要多次胰岛素注射或使用胰岛素泵治疗的患者，每天需要进行6-8次手指穿刺来测量血糖浓度，这不仅给患者带来很大生理痛苦和诸多潜在的安全隐患，而且采集的血糖数据为离散数据无法准确的反映真实的血糖变化趋势，从而直接干扰医生对病情判断，甚至会产生误诊。连续动态血糖监测对于有效管理糖尿病患者血糖水平，提高患者生活质量具有重要意义，但目前还没有可供临床使用的长期植入式葡萄糖传感器。
(三)发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种金纳米复合材料光纤的反射式葡萄糖传感器，用于实时、定量的葡萄糖检测。
为了实现以上目的，本发明采用的技术方案如下：
所述光纤的反射式葡萄糖传感器由末端镀有银镜的葡萄糖敏感型纳米复合材料光纤构成，其特征在于，所述传感光纤采用葡萄糖敏感修饰的聚丙烯酰胺(PAAm)水凝胶材料制成，光纤末端的银镜反射信号光构成反射式传感，增加信号光与光纤的作用长度从而增加传感光纤探测的灵敏度。
所述传感光纤材料具有柔软的机械性能，与葡萄糖分子作用后呈现线性、快速的膨胀/收缩特性。
进一步地，所述传感光纤材料通过共价键合的方式掺杂有金纳米颗粒(GNPs)，利用GNPs的局域表面等离子体共振(LSPR)吸收效应实现对葡萄糖的定量检测。
所述传感光纤，其特征在于，其制备方法包括以下步骤：
步骤(1)：将丙烯酰胺单体(AAm)、交联剂(N,N′-methylenebis(acrylamide),BIS),3-丙烯酰胺基苯硼酸(3-APBA)按一定摩尔比混入1mL二甲基亚砜(DMSO)溶液,搅拌均匀后添加光引发剂(DEAP,1-2％w/v)和羧基修饰的金纳米颗粒(0.02％-0.1％w/v)，最后再加入1mL去离子水稀释得到前驱体溶液。最优地，AAm、BIS及3-APBA的摩尔比为78.5：1.5：20。
步骤(2)：将步骤(1)中配置的前驱体溶液注入空心硅胶管(内径：250-1000μm)，在紫外灯下聚合固化3-5分钟。随后采用注水喷射的方式，取出固化后的光纤。
步骤(3)：将步骤(2)中得到的光纤浸泡在含有羧基活化剂(EDC,碳二亚胺)的酸性溶液(pH范围4-6)，使得GNPs表面修饰的羧基基团与聚合链上的氨基基团发生共价键合反应，浸泡时间为9-12小时。
步骤(4)：采用去离子水对步骤(3)中浸泡后的光纤冲洗5-10分钟，然后放置于磷酸盐缓冲液(PBS,pH＝7.4)中保存。
步骤(5)：将3mL(0.1mol/L)硝酸银溶液放入10mL烧杯中。滴加稀氨水，在搅拌下直至棕色沉淀溶解。添加1.4mL(0.8mol/L)氢氧化钾溶液，如果棕色沉淀物重新形成，则逐滴添加额外的氨溶液，直到溶解。然后我们得到托伦试剂(Tollens’reagent)。
步骤(6)：采用去离子水对步骤(4)中的光纤冲洗5-10分钟，然后将光纤末端放置于步骤(5)中的托伦试剂中，倒入5mL(0.5mol/L)葡萄糖溶液，10分钟后取出光纤并用去离子水冲洗。
步骤(7)：将步骤(6)中的光纤放置于醋酸盐缓冲液(pH＝4.6)浸泡一分钟，释放扩散进入光纤的葡萄糖分子。
步骤(8)：将步骤(7)得到的光纤冲洗5-10分钟，然后放置于PBS中保存。
本发明工作原理为：由于传感光纤中GNPs的LSPR效应使得其对特定波长透射光具有强吸收能力，造成较强光损耗。葡萄糖分子通过水凝胶的孔隙扩散到光纤内部，与3-APBA基团发生可逆性复合，促使苯硼酸平衡向解离方向移动。该过程引起苯硼酸离子浓度增大，从而导致光纤发生膨胀。而这种葡萄糖相关的体积膨胀降低了光纤内部GNPs的浓度，从而削弱了LSPR效应，使得吸收损耗降低。利用银镜反应对光纤端面进行化学镀膜，增加信号光与传感光纤的作用长度，增加传感光纤探测的灵敏度。因此，通过建立反射光LSPR波长处的光损耗随葡萄糖浓度变化关系，就可实现对葡萄糖的定量检测。
本发明还提供了基于所述传感器的测量系统，采用双波长差分损耗检测机制消除由环境及光源不稳定因素影响，装置包括:第一半导体激光器1、第二半导体激光器2、第一光纤耦合器3、第二光纤耦合器4、葡萄糖传感器5、光电探测器6、数据采集卡7及计算机8。
1)所述测量系统各元件关系如下：第一半导体激光器1、第二半导体激光器2的光输出端口1-1，2-1经过多模光纤分别连接到第一光纤耦合器第一输入端口3-1以及第一光纤耦合器第二输入端口3-2，第一光纤耦合器输出端口3-3的输出激光经多模光纤耦合进第二光纤耦合器4，并通过第二光纤耦合器4耦合进入葡萄糖传感器5，激光传输至葡萄糖传感器5尾端的反射银镜5-1被反射，被反射的激光从葡萄糖传感器输出通过第二光纤耦合器输出端口4-3耦合至第二光纤耦合器第二输入端口4-2，第二光纤耦合器第二输入端口4-2的透射输出经光电探测器输入端口6-1接收并转换为电压信号，光电探测器输出端口6-2经BNC信号线接入数据采集卡输入端口7-1进行采集，采集结果发送至计算机8进行处理。数据采集卡的输出控制端口7-2和数据采集卡的输出控制端口7-3经BNC信号线分别连接第一半导体激光器控制端口1-2和第二半导体激光器控制端口2-2。
2)所述测量系统中，为实现传感光纤与多模石英光纤的耦合固定，在传感光纤制备前，将多模石英光纤尾端直接插入注有前驱体溶液的硅胶模具一端，然后放在紫外灯下交联固化形成稳定连接。
3)所述测量系统采用双波长差分损耗检测机制消除由环境及光源不稳定因素影响，第一半导体激光器1产生信号光，工作波长位于GNPs的LSPR峰值附近位置；第二半导体激光器2为参考光，工作波长远离GNPs的LSPR谐振腔。
4)所述测量系统中，第一半导体激光器控制端口1-2、第二半导体激光器控制端口2-2分别为模拟调制端口，数据采集卡输入端口7-1为模数转换端口，数据采集卡输出控制端口7-2和数据采集卡输出控制端口7-3为数模转换端口。
5)所述测量系统采用频分复用技术以区分两路不同波长信号，数据采集卡输出控制端口7-2和数据采集卡输出控制端口7-3为数模转换端口输出两路不同频率模拟调制信号对第一半导体激光器1、第二半导体激光器2进行调制。
6)所述测量系统中，数据采集卡采集的调制信号经傅里叶变换后提取信号光和参考光强度信息，通过计算两波长光损耗差值获得葡萄糖浓度信息。
本发明与现有技术相比具有优势：
1)采用葡萄糖敏感修饰的PAAm水凝胶材料制备光纤，具有柔软的机械性能，能够与同样柔软的生物组织实现良好的力学匹配。
2)通过共价键合的方式，对所制备的水凝胶光纤掺杂羧基修饰的GNPs，利用GNPs的LSPR效应，实现实时、定量的葡萄糖检测，可靠性好，可实现长期连续的葡萄糖监测。
3)利用银镜反应对光纤端面进行化学镀膜，增加信号光与传感光纤的作用长度，增加传感光纤探测的灵敏度。
(四)附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1a为制备的传感光纤结构图。
图1b为制备的传感光纤的LSPR吸收光谱。
图2为光纤的反射式葡萄糖传感器测量系统框图。
图标：
1：第一半导体激光器；1-1：第一半导体激光器输出端口；1-2：第一半导体激光器控制端口；2：第二半导体激光器；2-1：第二半导体激光器输出端口；2-2：第二半导体激光器控制端口；3：第一光纤耦合器；3-1：第一光纤耦合器第一输入端口；3-2：第一光纤耦合器第二输入端口；3-3：第一光纤耦合器输出端口；4：第二光纤耦合器；4-1：第二光纤耦合器第一输入端口；4-2：第二光纤耦合器第二输入端口；4-3：第二光纤耦合器输出端口；5：葡萄糖传感器；5-1：反射银镜；6：光电探测器；6-1：光电探测器输入端口；6-2：光电探测器输出端口；7：数据采集卡；7-1：数据采集卡输入端口；7-2：数据采集卡输出控制端口；7-3：数据采集卡输出控制端口；8：计算机。
(五)具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
发明制得的葡萄糖敏感型纳米复合材料光纤，具体制备过程如下：
步骤(1)合成配置前驱体溶液：将AAm、交联剂BIS,3-APBA按78.5：1.5：20摩尔比混入1mL二甲基亚砜(DMSO)溶液,搅拌均匀后添加2％w/v DEAP光引发剂和0.02％w/v羧基修饰的GNPs(LSPR峰值波长：530nm)，最后再加入1mL去离子水稀释。
步骤(2)制备传感光纤：将步骤(1)中配置的前驱体溶液，通过注射器注入空心硅胶管(内径：1mm)，在紫外灯下聚合固化5分钟。随后采用注水喷射的方式，取出固化后的光纤。
步骤(3)固定GNPs：将步骤(2)中得到的光纤浸泡在含有羧基活化剂(EDC,碳二亚胺)的酸性溶液(pH＝4.5)，使得GNPs以共价键合的方式固定在聚合物链上，浸泡时间为9小时。
步骤(4)清洗化学残留：采用去离子水对步骤(3)中浸泡后的光纤冲洗10分钟，然后放置于磷酸盐缓冲液(PBS,pH＝7.4)中保存。
步骤(5)：将3mL(0.1mol/L)硝酸银溶液放入10mL烧杯中。滴加稀氨水，在搅拌下直至棕色沉淀溶解。添加1.4mL(0.8mol/L)氢氧化钾溶液，如果棕色沉淀物重新形成，则逐滴添加额外的氨溶液，直到溶解。然后我们得到托伦试剂(Tollens’reagent)。
步骤(6)：采用去离子水对步骤(4)中的光纤冲洗5-10分钟，然后将光纤末端放置于步骤(5)中的托伦试剂中，倒入5mL(0.5mol/L)葡萄糖溶液，10分钟后取出光纤并用去离子水冲洗。
步骤(7)：将步骤(6)中的光纤放置于醋酸盐缓冲液(pH＝4.6)浸泡一分钟，释放扩散进入光纤的葡萄糖分子。
步骤(8)：将步骤(7)得到的光纤冲洗5-10分钟，然后放置于PBS中保存。最终制得的光纤结构如图1a所示。图1b展示该传感光纤的LSPR吸收光谱，可以清晰看到对应LSPR峰位于528nm。
本发明还提供了基于所述传感器的反射式测量系统，图2所示为测量系统框图。本实施例所采用的具体器件为：第一半导体激光器1和第二半导体激光器2的波长分别为530nm和690nm；第一光纤耦合器3的分光比为50：50，第二光纤耦合器4的分光比为50：50，葡萄糖传感器5的直径为500μm，长度为4cm；光电探测器6的响应波长范围为400-1100nm，数据采集卡7的采样速度为200kS/s，计算机8用来存储及处理采集数据。
本发明该实施例的具体过程为：
1)第一半导体激光器输出端口1-1与第二半导体激光器输出端口2-1经过多模光纤分别连接到第一光纤耦合器第一输入端口3-1和第一光纤耦合器第二输入端口3-2，第一光纤耦合器输出端口3-3的输出激光经多模光纤耦合进第二光纤耦合器4，并通过第二光纤耦合器4耦合进入葡萄糖传感器5，激光传输至传感器尾端的反射镜5-1被反射，被反射的激光从传感器输出通过第二光纤耦合器输出端口4-3，耦合至第二光纤耦合器第二输入端口4-2，第二光纤耦合器第二输入端口4-2的透射输出经光电探测器输入端口6-1接收并转换为电压信号，由数据采集卡输入端口7-1进行采集，采集结果发送至计算机8进行存储处理。
2)所述测量系统中，所述测量系统采用频分复用技术以区分两路不同波长信号，数据采集卡输出控制端口7-2，数据采集卡输出控制端口7-3数模转换端口分别输出1.6kHz和2.8kHz两路正弦模拟信号对第一半导体激光器1、第二半导体激光器2进行调制。
3)所述测量系统中，数据采集卡收集的电信号经傅里叶变换后分别提取信号光和参考光强度信息，通过计算两波长光损耗差值获得葡萄糖浓度信息。
本发明采用葡萄糖敏感修饰的PAAm水凝胶为基体材料，结合银镜反应，制备末端镀有反射银镜的金纳米复合材料传感光纤，实现单端反射式检测。相比于透射式光纤传感器，反射式传感结构可以通过单个插入点进行葡萄糖监测，具有结构紧凑、安装方便及可靠性好等优势。葡萄糖分子与传感光纤中修饰的葡萄糖敏感官能团发生特异性结合，导致光纤体积变化，从而改变LSPR吸收强度。通过检测反射光信号的LSPR峰值强度变化，可实现对葡萄糖的实时、定量检测。光纤末端端面的银镜反射，增加了信号光与传感光纤的作用长度，从而增强传感光纤探测的灵敏度。

Claims (8)

1.一种基于金纳米复合材料光纤的反射式葡萄糖传感器，用于葡萄糖浓度检测；其特征在于，光纤采用通过表面修饰的羧基基团与聚合链上的氨基基团发生共价键合反应形成固定金纳米颗粒掺杂的聚丙烯酰胺水凝胶材料制成，光纤末端利用银镜镀膜方法镀有反射银镜使得信号光与传感光纤作用长度加倍进而提高灵敏度。
2.根据权利要求1所述的一种基于金纳米复合材料光纤的反射式葡萄糖传感器，其特征在于，金纳米颗粒的表面修饰有羧基官能团，在羧基活化剂作用下，与聚丙烯酰胺聚合链上的氨基基团发生共价键合反应。
3.根据权利要求1所述的一种基于金纳米复合材料光纤的反射式葡萄糖传感器，其特征在于，所述光纤的内径为250-1000μm，所述传感光纤长度为1-4cm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于金纳米复合材料光纤的反射式葡萄糖传感器，其特征在于，葡萄糖传感器制备方法包括以下步骤：
步骤(1)：将丙烯酰胺单体、交联剂,3-丙烯酰胺基苯硼酸混入1mL二甲基亚砜溶液,搅拌均匀后添加光引发剂和羧基修饰的金纳米颗粒，最后再加入1mL去离子水稀释得到前驱体溶液；其中，光引发剂和羧基修饰的金纳米颗粒的浓度分别为1％-2％w/v和0.02％-0.1％w/v；丙烯酰胺单体、交联剂及3-丙烯酰胺基苯硼酸的摩尔比为78.5：1.5：20；其中，光引发剂为DEAP；交联剂为N,N’-methylenebis(acrylamide)；
步骤(2)：将步骤(1)中配置的前驱体溶液注入空心硅胶管，在紫外灯下聚合固化3-5分钟，随后采用注水喷射的方式，取出固化后的光纤；其中，空心硅胶管内径为250-1000μm；
步骤(3)：将步骤(2)中得到的光纤浸泡在含有羧基活化剂的酸性溶液，使得金纳米颗粒表面修饰的羧基基团与聚合链上的氨基基团发生共价键合反应，浸泡时间为9-12小时；其中，羧基活化剂为，碳二亚胺，酸性溶液的pH范围为4-6；
步骤(4)：采用去离子水对步骤(3)中浸泡后的光纤冲洗5-10分钟，然后放置于磷酸盐缓冲液(PBS)中保存；其中，PBS的pH为7.4；
步骤(5)：将3mL硝酸银溶液放入10mL烧杯中，滴加稀氨水，在搅拌下直至棕色沉淀溶解，添加1.4mL氢氧化钾溶液，如果棕色沉淀物重新形成，则逐滴添加额外的氨溶液，直到溶解，然后得到托伦试剂(Tollens’reagent)；其中，硝酸银溶液和氢氧化钾溶液的浓度分别为0.1mol/L和0.8mol/L；
步骤(6)：采用去离子水对步骤(4)中的光纤冲洗5-10分钟，然后将光纤末端放置于步骤(5)中的托伦试剂中，倒入5mL葡萄糖溶液，10分钟后取出光纤并用去离子水冲洗；其中，葡萄糖溶液的浓度为0.5mol/L；
步骤(7)：将步骤(6)中的光纤放置于醋酸盐缓冲液浸泡一分钟，释放扩散进入光纤的葡萄糖分子；其中，醋酸盐缓冲液pH为4.6；
步骤(8)：将步骤(7)得到的光纤冲洗5-10分钟，然后放置于PBS中保存。
5.一种实现基于如权利要求1-4任一项葡萄糖传感器的测量系统，其特征在于，所述测量系统包括：第一半导体激光器、第二半导体激光器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、葡萄糖传感器、光电探测器、数据采集卡及计算机；
其中，第一半导体激光器输出端口和第二半导体激光器的输出端口经过多模光纤分别连接到第一光纤耦合器第一输入端口以及第一光纤耦合器第二输入端口，第一光纤耦合器输出端口的输出激光经多模光纤耦合进第二光纤耦合器，并通过第二光纤耦合器耦合进入葡萄糖传感器，激光传输至葡萄糖传感器尾端的反射银镜被反射，被反射的激光从葡萄糖传感器输出通过第二光纤耦合器输出端口，耦合至第二光纤耦合器第二输入端口，第二光纤耦合器第二输入端口的透射输出经光电探测器输入端口接收并转换为电压信号，由数据采集卡输入端口进行采集，采集结果发送至计算机进行存储处理；
采用频分复用技术以区分两路不同波长信号，数据采集卡输出两路不同频率模拟调制信号分别对第一半导体激光器与第二半导体激光器进行调制；
采用双波长差分顿号检测机制消除由环境及光源不稳定因素影响，第一半导体激光器产生信号光，工作波长位于金纳米颗粒的谐振峰附近位置；第二半导体激光器为参考光，工作波长远离金纳米颗粒的谐振峰。
6.根据权利要求5所述的测量系统，其特征在于，为实现光纤葡萄糖传感器与多模光纤的耦合固定，在传感器制备前，将多模光纤尾端直接插入注有前驱体溶液的硅胶模具一端，然后放在紫外灯下交联固化形成稳定连接。
7.根据权利要求5所述的测量系统，其特征在于，采用双波长差分损耗检测机制消除由环境及光源不稳定因素影响，第一半导体激光器产生信号光，工作波长位于金纳米颗粒的谐振峰附近位置；第二半导体激光器为参考光，工作波长远离金纳米颗粒的谐振峰。
8.根据权利要求5所述的测量系统，其特征在于，采用频分复用技术以区分两路不同波长信号，数据采集卡输出两路不同频率模拟调制信号分别对两个半导体激光器进行调制。
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