譚啟龍，馮國英*，李筱薇，譚建昌，韓敬華，石中兵

(1.四川大學 電子信息學院 激光微納工程研究所，四川 成都 610065；2.核工業(yè)西南物理研究院，四川 成都 610041)

糖尿病這類代謝異常且極易導致一系列并發(fā)癥的疾病，病患人數(shù)眾多[1]，如何精確及快速檢測葡萄糖濃度在臨床生物及醫(yī)學中有廣泛的應用需求。使用傳統(tǒng)的葡萄糖濃度檢測方法，如電化學法[2]、熒光法[3]、比色法[4]、近紅外法[5]等制備的葡萄糖傳感器在使用壽命，抗干擾能力，設備成本等方面仍面臨著一定的挑戰(zhàn)[6]。

近年來，一種新型的葡萄糖濃度檢測技術(shù)得到了較快的發(fā)展，即光纖表面等離子體共振（SPR）技術(shù)[7]。與傳統(tǒng)檢測方法相比，光纖SPR技術(shù)具有原理簡單，待測物無需純化，無標記，能實時、高精度地檢測動態(tài)反應過程等優(yōu)點[8]，為人體血糖檢測及食品安全等領(lǐng)域提供了良好的平臺。以光纖作為載體用于檢測葡萄糖濃度的傳感器可分為酶型[9]和非酶型[10-11]，酶型技術(shù)方案制備的傳感器具有對葡萄糖的高選擇性，從而引起了研究人員的極大興趣。目前，研究人員開發(fā)出多種光纖結(jié)構(gòu)應用于葡萄糖傳感器。例如，Zheng等[12]以終端反射結(jié)構(gòu)的光纖作為載體制作了一款光纖SPR葡萄糖傳感器，在0～1.7 mM的葡萄糖濃度范圍內(nèi)，最大波長偏移為11.23 nm。Yang等[13]采用拉錐技術(shù)將光纖的腰部直徑控制在40 μm，并將金納米顆粒及葡萄糖氧化酶依次固定于傳感區(qū)域，從而制備了靈敏度為0.93 nm/mM的葡萄糖傳感器。Yu等[11]將光纖進行側(cè)面拋光構(gòu)成D型光纖結(jié)構(gòu)，進而使用二硫化鉬-石墨烯復合材料修飾鍍金光纖表面，從而制備了靈敏度高達6 708.87 nm/RIU的葡萄糖傳感器。Zhao等[14]在多模光纖（MMF）之間插入一段單模光纖，并在其表面沉積了一層銀膜用于激發(fā)SPR效應，在質(zhì)量分數(shù)為0～40%的葡萄糖濃度范圍內(nèi)，所制備的傳感器獲得了6 536.84 nm/RIU。此外，可將光子晶體光纖（PCF）應用于傳感器的制備[15-16]，以提高傳感器靈敏度。例如，Wang等[17]在多模光纖之間插入一段PCF，并其表面涂覆了一層溫度敏感膜，所制備的傳感器靈敏度為1 551 pm/℃。盡管光纖葡萄糖傳感器得到了長足的發(fā)展，但是，上述傳感器或魯棒性不足，難以應用于復雜環(huán)境；或在工藝上復雜繁瑣，制作困難；或難以應用于低濃度葡萄糖環(huán)境。

本文提出并實現(xiàn)了一種MPPM結(jié)構(gòu)的SPR光纖葡萄糖傳感器。使用熔接機將多模光纖與兩段相同長度的PCF光纖級聯(lián)拼接，制備MPPM光纖結(jié)構(gòu)，通過在傳感區(qū)域涂覆一層化學性質(zhì)穩(wěn)定且生物相容性好的金膜完成傳感器的制備。通過設置相同結(jié)構(gòu)不同長度、不同結(jié)構(gòu)相同長度的傳感區(qū)進行對比實驗，研究結(jié)構(gòu)和長度變化對PCF光纖傳感器的影響。實驗結(jié)果表明：PCF光纖長度對靈敏度沒有明顯影響，MPPM結(jié)構(gòu)的傳感器的SPR共振峰深度得到了有效加強。傳感區(qū)域使用化學交聯(lián)法固定GOD后，傳感器在0～0.8 mg/mL的葡萄糖濃度范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性及對葡萄糖的特異性識別功能。

1 傳感結(jié)構(gòu)制備及相關(guān)原理

如圖1（a）所示，傳感器結(jié)構(gòu)由兩段多模光纖（62.5/125 μm）及兩段長度相等的六孔柚子型光子晶體光纖（包層直徑124.6 μm，纖芯直徑6.2 μm，微孔直徑13.3 μm）構(gòu)成，并使用小型磁控濺射鍍膜儀（VTC-16-SM，合肥科晶）沉積了48 nm厚的金層。整個傳感區(qū)域的長度為L。PCF端面光學顯微鏡圖如圖1（b）所示。圖1（c）、（d）顯示了MMF與PCF熔接區(qū)域及PCF之間的熔接區(qū)域分別產(chǎn)生長度約為214 μm、321 μm的氣孔塌陷。當光從MMF傳輸?shù)絇CF時，由于在塌陷區(qū)域沒有核心包層結(jié)構(gòu)，造成了部分光從纖芯泄漏進入包層。當沿著PCF纖芯的光傳輸?shù)絻蓚€PCF之間的塌陷區(qū)時，PCF纖芯的光再次泄露，使得更多光的能量被表面等離子體吸收，從而導致共振峰的深度增加[18-19]。

圖1 傳感器原理圖、PCF結(jié)構(gòu)及塌陷區(qū)顯微圖Fig.1 Sensor schematic diagram, PCF structure and collapse area micrograph

為制造所提出的光纖結(jié)構(gòu)，需要使用商用光纖熔接機（88S，藤倉）和光纖切割刀（CT50，藤倉）。將熔接機熔接參數(shù)恢復出廠設置并改為自動熔接模式，與手動熔接模式相比，該模式不需要耗費對準纖芯的時間成本，熔接過程簡單高效。圖2顯示了傳感器制備過程。如圖2（a）所示，通過自動熔接模式將MMF與PCF熔接，制備多模光纖-PCF結(jié)構(gòu)。圖2（b）顯示了將上述兩段相同結(jié)構(gòu)的光纖放電熔接。最后通過小型磁控濺射鍍膜儀將包含結(jié)構(gòu)的光纖區(qū)域濺射上一層薄的金層，如圖2（c）所示。

圖2 傳感器結(jié)構(gòu)的制備流程Fig.2 Fabrication process of the sensor structure

在光纖SPR傳感器中，光在光纖包層與金屬界面處會發(fā)生多次全反射，可將Krestchmann棱鏡原理應用于對光纖SPR的分析[14]。當滿足金膜的厚度小于倏逝波的穿透深度條件時，全反射產(chǎn)生的倏逝波穿透金屬薄膜存在于金屬膜與待測介質(zhì)的界面。倏逝波波矢在傳輸方向上的分量可以表示為[17]：

式中， ω為入射光角頻率，c為真空中的光速， ε0為光纖包層的介電常數(shù)， θ為入射角度。在金膜與介質(zhì)的界面上，金膜受到倏逝波的激發(fā)產(chǎn)生沿著金屬表面?zhèn)鞑サ碾姶挪?，被稱為表面等離子體波，其波矢 βspw為：

式中， εm為金屬的介電常數(shù)， εs為待測介質(zhì)的介電常數(shù)。當高階包層模式產(chǎn)生的倏逝波波矢與金屬層表面等離子體波的波矢相匹配時，即：

式（3）意味著發(fā)生共振吸收，形成表面等離子體效應，從而在透射光譜上出現(xiàn)吸收峰。入射光的波長被稱為共振波長。當待測介質(zhì)的折射率發(fā)生變化時，波長則會出現(xiàn)相應的移動。通過測量波長的變化，可以得到待測介質(zhì)的折射率與波長的變化。由于諧振波長對周圍折射率變化非常敏感，因此SPR傳感器可以表現(xiàn)出對折射率的高靈敏度。

由于GOD能夠?qū)Ｒ恍缘拇呋咸烟牵虼送ㄟ^將GOD固定在以光纖作為載體的表面以實現(xiàn)葡萄糖作為檢測物質(zhì)的光纖SPR傳感器是可行的[20]。GOD與葡萄糖反應過程如下[21]：

由式（4）可知，該酶促反應產(chǎn)生葡萄糖酸和過氧化氫。葡萄糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖酸會導致較大的折射率變化同時意味著光纖傳感區(qū)域周圍環(huán)境發(fā)生了改變，從而在透射光譜上表現(xiàn)出共振波長發(fā)生移動的現(xiàn)象[9,22]。

2 實 驗

為了驗證上述的理論分析，本文探究不同傳感區(qū)長度L（即光子晶體光纖總長）對傳感器的性能影響，并探究MPM（多模光纖-光子晶體光纖-多模光纖）結(jié)構(gòu)傳感器和MPPM（多模光纖-光子晶體光纖-光子晶體光纖-多模光纖）結(jié)構(gòu)的傳感器的折射率靈敏度的差異。本文將MPPM結(jié)構(gòu)傳感器置于不同濃度的葡萄糖溶液中進行折射率實驗，并評估了傳感器對葡萄糖的特異性識別功能和穩(wěn)定性。下列實驗均在恒溫（20 ℃）恒濕的超凈光學實驗室中進行。入射寬譜光源的有效波長范圍為300～2 500 nm （LSHT75，卓立漢光），使用光譜分析儀（ATP5020，奧譜天成，300～2 500 nm）記錄傳輸光譜。

實驗中使用的葡萄糖氧化酶（GOD，來自黑曲霉，50 KU/g）、巰基乙胺（MEA）、氯化鉀及氯化鈉均購自上海阿拉丁試劑，50%戊二醛（GA）、殼聚糖和葡萄糖購于成都科隆化工，所用試劑均為分析純。

2.1 不同傳感區(qū)長度的折射率靈敏度

實驗探究不同傳感區(qū)長度L（即光子晶體光纖總長）對傳感器的性能影響，對L為5、10、15 mm的光纖傳感結(jié)構(gòu)的傳感器性能進行了對比測量。室溫下制備了折射率分別為1.333、1.340、1.347、1.355、1.363、1.371和1.380的折射率溶液[14]。將3種不同傳感區(qū)長度（5、10、15 mm）的傳感器分別浸入到上述溶液中，得到不同傳感區(qū)長度的傳感器的透射光譜及相應共振波長移動量的擬合曲線，如圖3所示。從圖3（a）、（b）、（c）可知，1.333～1.380的折射率范圍內(nèi)，傳感器的SPR譜分別向長波長方向移動了98.09、94.58和95.71 nm。從圖3（d）可知，3種L的傳感器對折射率的響應表現(xiàn)出相似的性能，即傳感區(qū)長度對靈敏度沒有明顯影響[17]。為了減少微結(jié)構(gòu)制備操作時造成的誤差，因此選擇傳感區(qū)長度為10 mm用于制備傳感器并進行后續(xù)的實驗探究。

圖3 相同結(jié)構(gòu)、不同傳感區(qū)長度的傳感器的透射光譜和波長移動的擬合曲線Fig.3 Transmission spectra of sensors with different sensing area lengths and the fitting curve of wavelength shift

2.2 不同傳感結(jié)構(gòu)的折射率靈敏度

為了探究MPPM結(jié)構(gòu)對傳感器的折射率靈敏度變化情況，本文特意設計了MPM光纖結(jié)構(gòu)用于對比實驗。制備上述兩種不同結(jié)構(gòu)的傳感器并鍍金處理，將MPM及MPPM結(jié)構(gòu)的傳感器分別浸入到不同的折射率液中采集透射光譜，并將相應的共振波長移動量進行擬合，結(jié)果見圖4。

圖4 不同結(jié)構(gòu)傳感器在不同折射率溶液中的SPR譜及對應的波長的曲線關(guān)系Fig.4 SPR spectra and corresponding wavelength curves function of sensors with different structures in solutions with different refractive indices

如圖4（a）、（b）所示：隨著折射率的升高，共振波長向長波長方向移動；在1.333～1.380的折射率范圍內(nèi)，MPPM結(jié)構(gòu)傳感器的折射率靈敏度從1 187.01 nm/RIU變化到2 816.41 nm/RIU。擬合曲線如圖4（c）所示，相比于MPM結(jié)構(gòu)的最大靈敏度（2 714.57 nm/RIU），MPPM結(jié)構(gòu)的傳感器的最大靈敏度（2 816.41 nm/RIU）提高了101.84 nm/RIU。

此外，本文繼續(xù)探究了MPPM結(jié)構(gòu)的SPR共振峰深度。圖5顯示了兩種結(jié)構(gòu)的傳感器在折射率為1.333的溶液中輸出的SPR光譜。

圖5 MPM與MPPM結(jié)構(gòu)的SPR共振峰深度對比Fig.5 SPR resonance peak depth comparison between MPM and MPPM structures

從圖5中可以看出，與MPM結(jié)構(gòu)傳感器相比，MPPM結(jié)構(gòu)的傳感器的SPR共振峰深度更深，意味著更容易和精確地識別出共振波長位置，得到的傳感器靈敏度參數(shù)能夠更準確。

2.3 不同濃度溶液的葡萄糖傳感器靈敏度

圖6顯示了用于低濃度葡萄糖檢測的傳感系統(tǒng)示意圖，該系統(tǒng)由寬帶光源發(fā)出可見光并在光纖傳感區(qū)域產(chǎn)生SPR效應，隨后通過光譜儀采集光譜數(shù)據(jù)，并使用光譜軟件對數(shù)據(jù)進行分析處理，其中在光纖傳感區(qū)域上沉積了金膜并且固定了GOD。

圖6 實驗裝置示意圖Fig.6 Schematic diagram of the experimental setup

2.3.1 MPPM結(jié)構(gòu)葡萄糖傳感器的制備

下述實驗均在恒溫（25 ℃）恒濕的超凈光化學實驗室內(nèi)進行。GOD固定步驟如圖7所示：首先，在黑暗環(huán)境條件下將涂覆有金膜的光纖浸入濃度為10 mM的MEA溶液過夜，通過Au—S鍵的結(jié)合在金膜表面暴露出游離的氨基；隨后，將光纖浸入體積分數(shù)為2%的戊二醛溶液1.5 h，通過Schiff base反應原理將氨基與戊二醛的醛基結(jié)合使金膜表面產(chǎn)生游離的醛基；最后，在光纖表面滴入濃度為15 mg/mL的GOD溶液，恒溫4 ℃反應2 h，通過游離的醛基與GOD分子上的氨基發(fā)生反應使GOD被固定在光纖表面。

圖7 GOD固定過程示意圖Fig.7 Schematic diagram of GOD fixation process

2.3.2 MPPM結(jié)構(gòu)葡萄糖傳感器的實驗結(jié)果及討論

本實驗將低濃度的葡萄糖溶液滴加到傳感器并收集透射光譜數(shù)據(jù)。為保證采集的數(shù)據(jù)準確可靠，待響應的光譜數(shù)據(jù)完全穩(wěn)定時再進行采集，此過程約90 s，與先前報道的葡萄糖傳感器所觀察到的情況一致[20]。將GOD修飾的傳感器分別浸入濃度范圍為0～1.2 mg/mL的葡萄糖溶液。圖8為GOD修飾的傳感器對不同濃度葡萄糖的透射光譜及對應共振波長移動量的擬合結(jié)果。從圖8（a）可以看出，隨著葡萄糖濃度的增加，傳感器的共振波長產(chǎn)生紅移現(xiàn)象。由圖8（b）可知，隨著葡萄糖濃度增加，共振波長的移動量先增加后趨于不變。結(jié)果表明，在0～0.8 mg/mL的葡萄糖范圍內(nèi)，共振波長的偏移量與葡萄糖濃度呈良好的線性變化，線性擬合度為約0.954，其關(guān)系為：

圖8 葡萄糖傳感器在不同濃度葡萄糖溶液中的SPR譜及其關(guān)系擬合Fig.8 SPR spectrum of glucose sensor in different concentrations of glucose solution and its relationship fitting

式中：y為波長移動量，nm；x為葡萄糖濃度，mg/mL；傳感器的靈敏度為29.61 nm/(mg·mL-1)。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因可能是當葡萄糖濃度較低時，酶的結(jié)合位點充足，酶與葡萄糖分子充分快速結(jié)合，導致波長偏移量與葡萄糖濃度的關(guān)系呈線性變化。當葡萄糖濃度在0.8～1.2 mg/mL的范圍內(nèi)繼續(xù)增加時，酶的結(jié)合位點達到飽和，導致傳感器周圍環(huán)境的折射率變化較小，共振波長的偏移量趨于不變。

將近年來已報道的光纖葡萄糖傳感器進行對比，結(jié)果見表1。從表1中可知，相比于傳統(tǒng)的裸光纖結(jié)構(gòu)葡萄糖傳感器，本文所提出的傳感器的靈敏度得到了較大提升，最大可達102倍；與光纖SPR傳感器相比，對葡萄糖的響應得到改善，最大可達32倍。

表1 不同傳感結(jié)構(gòu)的葡萄糖傳感器性能對比Tab.1 Performance comparison of glucose sensors with different sensing structures

為了驗證上述隨葡萄糖濃度變化的共振波長移動是由于GOD分子與葡萄糖的特異性結(jié)合引起的環(huán)境折射率改變，而不是葡萄糖本身濃度變化導致的折射率改變，研究了未固定GOD的傳感器對低葡萄糖濃度范圍的靈敏度響應。將0～0.6 mg/mL的葡萄糖溶液分別滴加到未固定GOD的傳感器的傳感區(qū)域，各濃度對應的透射光譜和共振波長的擬合曲線如圖9所示。通過圖9（a）可知，各濃度對應的透射譜幾乎重合。從圖9（b）觀察到，透射譜對應的共振波長的擬合曲線呈水平直線，說明共振波長沒有發(fā)生移動。因此低濃度葡萄糖范圍內(nèi)由葡萄糖濃度變化引起的折射率改變對波長的漂移影響可以忽略。

圖9 未固定GOD的傳感器在葡萄糖溶液中的SPR譜及其關(guān)系擬合Fig.9 SPR spectrum of the sensor without immobilized GOD in glucose solution and its relationship fitting

為評估傳感器對葡萄糖的特異性識別功能，本文繼續(xù)探究了葡萄糖傳感器對濃度相同（0.8 mg/mL）的4種不同溶液（氯化鉀KCL、氯化鈉NaCL、殼聚糖Chitosan和葡萄糖Glucose）的響應，結(jié)果見圖10。如圖10所示，將傳感器分別浸入到4種溶液中，在殼聚糖和葡萄糖溶液中，共振波長分別移動約1.6 nm和21.5 nm，氯化鉀和氯化鈉溶液中沒有明顯的波長移動。該實驗表明該傳感器對葡萄糖具有穩(wěn)定的特異性識別功能。

圖10 傳感器對不同溶液的響應Fig.10 Response of the sensor to different solutions

此外，穩(wěn)定性是生物傳感器的一個重要性能指標，是對測量結(jié)果準確性的一個重要表征。為評估傳感器的穩(wěn)定性，在濃度為0.2 mg/mL的葡萄糖溶液中對傳感器進行了50 min的連續(xù)監(jiān)測并每隔一段時間記錄光譜數(shù)據(jù)。將間隔一定時間的共振波長作了一個曲線擬合，如圖11所示。由圖11可知，波長位置基本沒有發(fā)生移動，表明所提出的葡萄糖傳感器穩(wěn)定性能良好。

圖11 傳感器在不同時刻下的SPR譜及其關(guān)系擬合Fig.11 SPR spectrum of the sensor at different times and its relationship fitting

3 結(jié) 論

本文基于表面等離子體共振原理設計并制作了一種光纖傳感器。通過對光子晶體光纖進行簡單加工使得在光子晶體光纖之間產(chǎn)生了一個約321 μm的塌陷區(qū)域從而制備了MPPM結(jié)構(gòu)的光纖傳感器，并且通過濺射鍍膜儀濺射金膜修飾光纖從而產(chǎn)生SPR效應。實驗發(fā)現(xiàn)：不同PCF長度對傳感器的靈敏度影響較小。在折射率溶液為1.380時，傳感器擁有2 816.41 nm/RIU的高折射率靈敏度。與MPM結(jié)構(gòu)相比，MPPM結(jié)構(gòu)的傳感器表現(xiàn)出更大的共振深度，提高了傳感測量精度。在金膜上固定GOD的傳感器對葡萄糖獲得了29.61 nm/(mg·mL-1)的靈敏度。

綜上所述，MPPM結(jié)構(gòu)的傳感器具有制備簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高等優(yōu)勢；戊二醛在鍍金光纖表面固定GOD的方法簡單高效，所制備的拼接光子晶體光纖的葡萄糖傳感器表現(xiàn)出靈敏度高、選擇性好及高穩(wěn)定性，為高靈敏度的光纖傳感器在人體血糖的檢測方面提供了新的方案。將該光纖葡萄糖傳感器應用于人體血糖檢測是下一階段研究的重點。