CN114965450B - 一种基于聚合物波导布拉格光栅的葡萄糖传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于聚合物波导布拉格光栅的葡萄糖传感器，包括PDMS下包层以及设置于所述PDMS下包层上的波导芯层、将GOD通过偶联剂固定在波导芯层表面固化形成GOD上包层；所述波导芯层为宽度不同的侧壁周期性起伏的双边结构。本发明实现了基于光学传感技术的葡萄糖检测，同时基于聚合物材料的波导布拉格光栅具有结构简单、体积小巧和易于制备的特点，且线性变化精度高，灵敏度高。

Description

一种基于聚合物波导布拉格光栅的葡萄糖传感器
技术领域
本发明涉及一种基于聚合物的波导布拉格光栅，特别是涉及一种可用于葡萄糖浓度测定的聚合物波导布拉格光栅。
背景技术
近年来，葡萄糖的检测在医学检测、食品工业和生物技术领域都受到了持续的关注，出现了各种用于葡萄糖检测的传感器。常见的葡萄糖传感器类型包括：红外光谱葡萄糖传感器、光偏振葡萄糖传感器和激光拉曼光谱葡萄糖传感器。红外光谱葡萄糖传感器利用可以发射红外波段光的光源，通过收集并分析被人体血液反射或者透射的红外光，实现葡萄糖浓度的检测，但由于葡萄糖在其他组织液成分中所占比例较低，必然会带来较大的噪声，因此这种方法检测精度不高；光偏振葡萄糖传感器主要是利用葡萄糖具有稳定的旋光特性，当线偏振光入射到不同浓度的葡萄糖溶液时，出射光的偏振方向各不相同，通过对出射光与入射光所形成偏转角的测量，便可推算出葡萄糖溶液的浓度，但这种检测方式易受到温度和环境稳定性的影响；激光拉曼光谱葡萄糖传感器由于拉曼散射的产生需要强度较大光源的激发，既需要较高成本，高强度光源又可能对人体造成伤害，给这种血糖测量方法带来较大限制。
因此，如何能在高精度检测葡萄糖浓度的前提下，获得低成本、小体积、稳定检测的葡萄糖传感器是本领域亟待解决的技术问题。
术语解释：PDMS：聚二甲基硅氧烷；PMMA：聚甲基丙烯酸甲酯；GOD：葡萄糖氧化酶；ITO：氧化铟锡。
发明内容
本发明的目的是，提出一种基于聚合物波导布拉格光栅的葡萄糖传感器，该葡萄糖传感器结构简单、体积小巧且易于制备，能有效检测葡萄糖浓度。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
本发明的实施例提供了一种基于聚合物波导布拉格光栅的葡萄糖传感器，包括PDMS下包层以及设置于所述PDMS下包层上的波导芯层、将GOD通过偶联剂固定在波导芯层表面固化形成GOD上包层；
所述波导芯层包括波导宽度不同的侧壁周期性起伏的双边结构的聚合物波导布拉格光栅，所述聚合物波导布拉格光栅的一端作为窄输入波导，另一端作为宽输出波导。所述PDMS下包层厚度为2µm，所述波导芯层厚度为1µm，所述GOD上包层厚度为2~3µm。
在实施例中，所述聚合物波导布拉格光栅的输入波导宽度为1000nm，输出波导宽度为2000nm，调制深度为500nm，占空比为50%。
在实施例中，所述PDMS下包层折射率为1.4040，所述波导芯层折射率为1.4880，所述GOD上包层折射率为1.3403。
在实施例中，所述聚合物波导布拉格光栅制备工艺包括：在ITO衬底上旋涂厚度为2µm的PDMS下包层，PDMS的旋涂采用先低速后高速的旋涂方式，低速旋涂转速为300±2r/min，旋涂时间5 s，高速旋涂转速为2500±2 r/min，旋涂时间20 s；对旋涂后的PDMS下包层进行固化，PDMS下包层的表面改性使用氧等离子清洗，清洗时间为5min，功率为400W；在表面改性后的PDMS下包层上涂敷增粘剂使PMMA可以平整的旋涂在PDMS下包层上方，PMMA的旋涂也采用先低速后高速的旋涂方式，低速旋涂转速为400±2r/min，旋涂时间5 s，高速旋涂转速为800±2r/min，旋涂时间25 s；聚合物波导布拉格光栅结构的刻蚀选用干法刻蚀工艺，干法刻蚀利用SF6和O2的混合气体且气体流量比为SF6:O2=15:3；在聚合物波导布拉格光栅结构上方继续旋涂PDMS，此时PDMS的厚度超过聚合物波导布拉格光栅的厚度，将位于聚合物波导布拉格光栅上方的PDMS利用干法刻蚀工艺刻蚀掉，刻蚀出深度为2µm的平面凹槽。
所述GOD上包层滴加0.5mg/mL~2.0mg/mL的葡萄糖溶液时，GOD上包层的折射率变化范围为1.3352~1.3403，进而导致聚合物波导布拉格光栅的中心波长在1532.93nm~1533.67nm之间变化，最大反射率变化范围为0.64~0.66。
使用浓度为30mg/mL的GOD溶液固化形成GOD上包层，GOD溶液中还加入有聚乙二醇（PEG），优选聚乙二醇（PEG）为PEG5000Da，PEG5000Da与葡萄糖氧化酶的摩尔比为1：20，利于对葡萄糖氧化酶的固定，有助于提高检测效果。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明基于聚合物波导布拉格光栅的葡萄糖传感器，实现了基于光学传感技术的葡萄糖检测，同时直接使用葡萄糖氧化酶通过偶联剂固定在光栅表面作为聚合物波导布拉格光栅的GOD上包层，实现了使用波导布拉格光栅进行葡萄糖浓度检测的目的，具有结构简单、体积小巧且易于制备的特点。
本发明提出一种聚合物波导布拉格光栅的葡萄糖传感器在满足布拉格条件时，实现特定波长的光反射，反射的中心波长会随葡萄糖浓度变化而变化，且中心波长在1532.93nm~1533.67nm之间变化，在实现高精度检测葡萄糖浓度的前提下，具有结构简单、体积更小、寿命更长且易于制备的特点，不需要使用氢氟酸腐蚀的方法来减薄包层，避免了由于危险品的使用而导致有害液体对人体皮肤的腐蚀，提高了传感器制作过程中的安全性。
附图说明
图1是本发明基于聚合物波导布拉格光栅葡萄糖传感器的结构示意图；
图2是本发明基于聚合物波导布拉格光栅葡萄糖传感器的左视剖面结构示意图；
图3是本发明基于聚合物波导布拉格光栅葡萄糖传感器的俯视剖面结构示意图；
图4是不同输入和输出聚合物波导布拉格光栅结构下传感器的光谱响应对比图；
图5是本发明基于聚合物波导布拉格光栅葡萄糖传感器的光场图；
图6是本发明基于聚合物波导布拉格光栅葡萄糖传感器制备工艺流程的示意图；
图7是本发明基于聚合物波导布拉格光栅葡萄糖传感器固定GOD流程的示意图；
图8是使用本发明基于聚合物波导布拉格光栅葡萄糖传感器的测量系统的连接示意图；
图9是本发明基于聚合物波导布拉格光栅葡萄糖传感器波长随葡萄糖浓度变化光谱的响应图。
附图标记：
1、PDMS下包层，2、聚合物波导布拉格光栅，3、GOD上包层，4、波导芯层，5、输入波导，6、输出波导，7、中心线。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
所描述的实施例仅仅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，下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明的技术方案，而不应当理解为对本发明的限制。
实施例1
本实施例基于聚合物波导布拉格光栅葡萄糖传感器的结构如图1所示，包括由下至上的PDMS下包层1、波导芯层4和GOD上包层3。所述波导芯层4包括中心的聚合物波导布拉格光栅2和以聚合物波导布拉格光栅2对称等高度设置的填充结构；在波导芯层4上方设置GOD上包层；
所述聚合物波导布拉格光栅2为两侧侧壁周期性起伏结构包括交替的宽波导和窄波导，宽波导和窄波导均同中心线7设置，光栅的周期为2744nm，宽波导的宽度为2000nm，窄波导的宽度为1000nm，即聚合物波导布拉格光栅2两侧的调制深度为500nm，聚合物波导布拉格光栅的厚度为1000nm。为了增强光栅的反射谱特性，在周期性起伏结构的输出端口处外加长度为2372nm的输出波导，输出波导与宽波导同宽度，其中光从输入波导5输入，经周期性起伏结构由输出波导6输出。
如果将现有的光栅折射率传感器用于葡萄糖浓度的检测，则需将葡萄糖氧化酶GOD滴加到折射率传感器的凹槽部分，但这种折射率传感器的光栅结构设置在芯层下表面，即使在芯层上方滴加不同浓度的葡萄糖溶液，也不能达到高精度检测葡萄糖浓度的效果，且GOD处于游离状态容易脱落；现有的折射率传感器的光栅结构为周期性分布的上下凹凸型皱褶光栅结构，此结构也不能用于本申请，这样会破坏原本设计好的葡萄糖传感器的光栅结构，导致相应最大反射率和光栅的中心波长都会发生改变，甚至不能达到原有的效果，不能用于葡萄糖浓度的检测。本申请创造性地提出了窄波导输入和宽波导输出的聚合物波导布拉格光栅，能够实现高精度检测葡萄糖浓度的效果。
图4为不同输入和输出聚合物波导布拉格光栅结构下传感器的光谱响应对比图。当为窄波导输入和宽波导输出时，聚合物波导布拉格光栅结构的最大反射率为0.66，相比于其它输入和输出结构，窄波导输入和宽波导输出的聚合物波导布拉格光栅结构的光谱响应最理想。窄波导输入和宽波导输出时的聚合物波导布拉格光栅结构的光谱响应中心波长为1533.2nm，最大反射率为0.66。
图5所示为基于聚合物波导布拉格光栅葡萄糖传感器的光场图，当为窄波导输入和宽波导输出时，聚合物波导布拉格光栅结构在光栅周期为2744nm情况下，光场被有效的限制在聚合物波导布拉格光栅区域。
所述聚合物波导布拉格光栅的制备工艺流程如图6所示。本实施例利用旋涂、光刻、刻蚀等步骤制备出聚合物波导布拉格光栅。所述聚合物波导布拉格光栅制备工艺包括：
在ITO衬底上旋涂厚度为2µm的PDMS下包层，PDMS的旋涂采用先低速后高速的旋涂方式，低速旋涂转速为300±2r/min，旋涂时间5 s，高速旋涂转速为2500±2 r/min，旋涂时间20 s；
对旋涂后的PDMS下包层进行固化，PDMS下包层的表面使用氧等离子清洗改性，清洗时间为5min，功率为400W；
在改性后的PDMS下包层上涂敷增粘剂使PMMA平整的旋涂在PDMS下包层上方，PMMA的旋涂也采用先低速后高速的旋涂方式，低速旋涂转速为400±2r/min，旋涂时间5 s，高速旋涂转速为800±2r/min，旋涂时间25 s；
选用干法刻蚀工艺刻蚀聚合物波导布拉格光栅结构，干法刻蚀条件：利用SF6和O2的混合气体且气体流量比为SF6:O2=15:3，刻蚀出窄波导输入和宽波导输出的聚合物波导布拉格光栅结构；
在聚合物波导布拉格光栅上方继续旋涂PDMS 3µm，聚合物波导布拉格光栅上方的PDMS刻蚀同样利用干法刻蚀工艺，刻蚀出深度为2µm凹槽，使得在波导芯层4表面形成2µm厚的用于添加GOD的凹槽。本专利采用干法刻蚀工艺对PMMA薄膜进行图案化，采用暗版，即先用暗版将负性光刻胶图案化形成掩膜，此时曝光部分为少部分面积，再将负性光刻胶图案作为掩膜刻蚀PMMA薄膜，实现PMMA采用暗版的图案化工艺，提高生产效率。
PDMS薄膜表面呈疏水性，直接在其上方旋涂PMMA不易成膜，采用氧等离子清洗的方法对PDMS表面进行改性处理后，增强了PDMS上PMMA薄膜的成膜质量。
固定葡萄糖氧化酶GOD的流程如图7所示：用体积比78:20:2的99.7%的无水乙醇、去离子水和异丁基三乙氧基硅烷混合得到体积百分比浓度为20%的硅烷溶液；用0.5μL微量进样器向光栅表面滴加0.1μL硅烷溶液对波导布拉格光栅表面清洁；静置20 min后，在锡箔纸密封塑料罩条件下使用干燥剂硅胶在室温条件下（25~27℃）干燥24 h，干燥过程中不要移动塑料罩，以免干燥剂硅胶附着在光栅表面；
用1-（3-二甲氨基丙基）-3-乙基碳二亚胺盐酸盐（EDC）和N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）作为实现偶联的交联剂对波导芯层4的表面修饰；静置60 min后，立即向波导芯层4表面滴加浓度为30mg/mL的GOD溶液，开始GOD的固定，固定时间为60 min；用磷酸盐缓冲溶液清洗波导芯层表面未固定上的GOD，此时就完成了GOD的固定；
配置的葡萄糖溶液（0.5mg/mL~2.0mg/mL），浓度梯度为0.1mg/mL。
上述过程所形成的GOD上包层表面平整，厚度为2µm，有助于能够实现葡萄糖浓度的检测。
上述过程中葡萄糖溶液、GOD溶液、EDC溶液和NHS的溶液配制均使用磷酸盐溶液作为溶剂，使用精度为0.1mg的电子天平称取一定质量的粉末，使用磁力搅拌器使各种溶液混合均匀，且试剂制备和固定葡萄糖氧化酶GOD均在室温条件下进行。
使用基于聚合物波导布拉格光栅葡萄糖传感器的测量系统如图8所示。向聚合物波导布拉格光栅所在位置的GOD上包层表面依次滴加不同浓度的葡萄糖溶液时，宽带光源发出的宽带光经耦合器到达聚合物波导布拉格光栅，在聚合物波导布拉格光栅端面发生反射，反射光通过耦合器在光谱分析仪上观察不同浓度的葡萄糖溶液对应的中心波长。
本实施例制备的基于聚合物波导布拉格光栅葡萄糖传感器波长随葡萄糖浓度变化的光谱响应如图9所示。向GOD上包层滴加0.5mg/mL~2.0mg/mL葡萄糖溶液时，GOD层的折射率变化范围为1.3352~1.3403，进而导致聚合物波导布拉格光栅的中心波长在1532.93nm~1533.67nm之间变化，最大反射率变化范围为0.64~0.66，能够实现高精度的葡萄糖浓度检测。
同等条件下，对不同GOD上包层厚度对结果的影响进行比较，结果如下：
Figure 611059DEST_PATH_IMAGE001
GOD厚度较厚时表面不平整，影响检测精度，表面太薄，又使得表面不能全部覆盖，因此GOD上包层的厚度要求不能太厚也不能太薄，要能够保证表面平整，使氧化酶较好的固定上，并能覆盖住波导芯层表面，兼顾厚度和最大反射率要求，保证葡萄糖浓度检测的精度。
实施例2
本实施例基于聚合物波导布拉格光栅葡萄糖传感器的结构和制备过程同实施例1，不同之处在于，本实施例中在进行GOD上包层固化时，GOD溶液中还加入有PEG5000Da，PEG5000Da与葡萄糖氧化酶的摩尔比为1：20。
所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明中的实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，以上内容不应理解为对本发明的限制。本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种任何修改、等同替换或变形等，凡在本申请的精神和原理之内所作的修改、等同替换或变型等均落入由所附权利要求所限定的本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于聚合物波导布拉格光栅的葡萄糖传感器，其特征在于，包括PDMS下包层以及设置于所述PDMS下包层上的波导芯层、将GOD通过偶联剂固定在波导芯层表面固化形成GOD上包层；
所述波导芯层包括波导宽度不同的侧壁周期性起伏的双边结构的聚合物波导布拉格光栅，所述聚合物波导布拉格光栅的一端作为窄输入波导，另一端作为宽输出波导；
所述波导芯层包括中心的聚合物波导布拉格光栅和以聚合物波导布拉格光栅对称等高度设置的填充结构；在波导芯层上方设置GOD上包层；
所述聚合物波导布拉格光栅为两侧侧壁周期性起伏结构包括交替的宽波导和窄波导，宽波导和窄波导均同中心线设置，光栅的周期为2744nm，宽波导的宽度为2000nm，窄波导的宽度为1000nm，聚合物波导布拉格光栅的厚度为1000nm，在周期性起伏结构的输出端口处外加长度为2372nm的输出波导，输出波导与宽波导同宽度；
所述聚合物波导布拉格光栅的调制深度为500nm，占空比为50％；所述PDMS下包层折射率为1.4040，所述聚合物波导布拉格光栅折射率为1.4880，所述GOD上包层折射率为1.3403，厚度为2～3μm。
2.如权利要求1所述的一种基于聚合物波导布拉格光栅的葡萄糖传感器，其特征在于，所述PDMS下包层的厚度为2μm。
3.如权利要求1所述的一种基于聚合物波导布拉格光栅的葡萄糖传感器，其特征在于，所述GOD上包层滴加0.5mg/mL～2.0mg/mL的葡萄糖溶液时，GOD上包层的折射率变化范围为1.3352～1.3403，进而导致聚合物波导布拉格光栅的中心波长在1532.93nm～1533.67nm之间变化，最大反射率变化范围为0.64～0.66。
4.如权利要求1所述的一种基于聚合物波导布拉格光栅的葡萄糖传感器，其特征在于，所述聚合物波导布拉格光栅的制备工艺是：
在ITO衬底上旋涂厚度为2μm的PDMS下包层，PDMS的旋涂采用先低速后高速的旋涂方式，低速旋涂转速为300±2r/min，旋涂时间5s，高速旋涂转速为2500±2r/min，旋涂时间20s；
对旋涂后的PDMS下包层进行固化，PDMS下包层的表面使用氧等离子清洗改性，清洗时间为5min，功率为400W；
在改性后的PDMS下包层上涂敷增粘剂使PMMA平整的旋涂在PDMS下包层上方，PMMA的旋涂采用先低速后高速的旋涂方式，低速旋涂转速为400±2r/min，旋涂时间5s，高速旋涂转速为800±2r/min，旋涂时间25s；
选用干法刻蚀工艺刻蚀聚合物波导布拉格光栅结构，干法刻蚀条件：利用SF6和O2的混合气体且气体流量比为SF6:O2＝15:3，刻蚀出窄波导输入和宽波导输出的聚合物波导布拉格光栅结构；
在聚合物波导布拉格光栅上方继续旋涂PDMS 3～4μm，聚合物波导布拉格光栅上方的PDMS刻蚀同样利用干法刻蚀工艺，刻蚀出深度为2～3μm凹槽，使得在波导芯层表面形成2～3μm厚度的凹槽用于添加GOD。
5.如权利要求1所述的一种基于聚合物波导布拉格光栅的葡萄糖传感器，其特征在于，使用浓度为30mg/mL的GOD溶液固化形成GOD上包层，GOD溶液中还加入有聚乙二醇。
6.如权利要求5所述的一种基于聚合物波导布拉格光栅的葡萄糖传感器，其特征在于，所述聚乙二醇为PEG5000Da，PEG5000Da与葡萄糖氧化酶的摩尔比为1：20。
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