基于金属纳米颗粒增强的压扁型光纤atr葡萄糖传感器的制造方法
【专利摘要】一种基于金属纳米颗粒增强的压扁型光纤ATR葡萄糖传感器，包括有由光纤纤芯和包裹在光纤纤芯外周的光纤包层构成的光纤，在光纤的中部形成有一段压扁区域，在光纤的压扁区域部分的表面上生长有金属纳米颗粒，在光纤的两端分别连接有用于连接外部部件的光纤接头。光纤为多模光纤。光纤纤芯和光纤包层均是采用卤化银材料制作，通光性在波长为4um～18um的范围。压扁区域的光纤长度为5～10cm，厚度为50～450um。金属纳米颗粒为贵金属或者过渡金属。本发明可以增加测量灵敏度和提高分辨率，适合植入到人体皮下，对血糖浓度实现在线、连续监测，具有很好的临床应用前景。
【专利说明】基于金属纳米颗粒增强的压扁型光纤ATR葡萄糖传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种葡萄糖传感器。特别是涉及一种基于金属纳米颗粒增强的压扁型光纤ATR葡萄糖传感器。
【背景技术】
[0002]糖尿病发病率日益上升，且呈年轻化和扩大化趋势，与肿瘤、心脑血管病一起被列为世界范围内的三大疑难病症。糖尿病引起的多种并发病严重威胁人类健康，然而目前临床上还没有彻底根治糖尿病的医学手段。传统的利用生化分析来进行糖尿病检测的方法有创伤，测量速度较慢，试剂及相关耗材处理不当还可能会造成污染，而且不能实现连续测量。微创血糖浓度检测技术是一种测量组织液中葡萄糖浓度的连续血糖检测技术，具有无痛、可实现性更强和测量 速度快等特点。当前微创血糖检测技术中，临床应用最广泛的是将酶电极植入皮下的酶电极植入式葡萄糖传感器。
[0003]酶电极植入式葡萄糖传感器的基本原理是将带有酶电极的微葡萄糖传感器植入皮下，通过测量组织液中葡萄糖与酶反应的电流来反映组织液中的葡萄糖浓度信息。因此这种传感器在检测时很容易受到人体生物电干扰，使得测量结果产生漂移，而且葡萄糖氧化酶与葡萄糖反应会将糖不可逆的消耗掉，在低血糖情况下测量结果不准确。尽管酶电极植入式葡萄糖传感器已经是商业化产品，但是只能作为糖尿病临床治疗的辅助手段。随着科学技术的不断发展，光纤ATR传感器由于其对葡萄糖零消耗、具有高精度、受外界理化因素影响小而且克服了传统酶电极传感器受生物电干扰的缺陷等优点而逐渐成为研究热点。光纤的材质种类很多，但是传输范围在葡萄糖指纹谱(950~UOOcnT1)波段的红外光纤仅包括空芯波导光纤、多晶卤化银光纤盒硫化金属类光纤。硫化金属类光纤毒性较大，不适合植入人体；空芯波导光纤多由玻璃、陶瓷等组成，柔韧性不好，易脆裂损坏，而卤化银光纤(AgCl和AgBr的混合物)具有较低损耗,在8~14 μ m波段,其值在0.5dB/m以下,且无毒、不吸湿，柔韧性好，便于制成各种类型的光纤ATR传感器，是植入人体皮下的光纤材料的最佳选择。早期的研究主要集中在直型、弯曲型、扁平型和锥形。直型的灵敏度不够高，而锥形和弯曲型尽管有一定的灵敏度增强，但是制造加工方面不好控制，实际应用中较为困难，压扁型结构光纤结构简单，适合植入人体皮下，实现对血糖浓度的连续实时监测。光纤压扁后，压扁区域的入射角更加接近临界角，不仅单次穿透深度增大，而且压扁区域的全反射次数比未压扁前也明显增加，从而传感器的灵敏度也大大提高。为了进一步增加压扁型光纤传感器的灵敏度，采用金属纳米颗粒对压扁区域的表面进行修饰。研究认为，由于金属纳米颗粒的尺寸小于红外入射波长，因此可以认为金属颗粒处于均匀的电场中。在入射光与粗糙金属表面相互作用下，金属表面电子发生集体运动形成表面等离子体，并与入射光电场耦合振荡。当入射光频率与表面等离子体的振荡频率接近时，产生共振，使表面局域电场极大增强，远大于入射光电场强度。最终使吸附在贵金属表面的分子振动的偶极矩的振幅增加，分子的红外光谱得到显著增强，传感器的测量分辨率也会提高。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是，提供一种可以增加测量灵敏度和提高分辨率，适合植入到人体皮下，对血糖浓度实现在线、连续监测的基于金属纳米颗粒增强的压扁型光纤ATR葡萄糖传感器。
[0005]本发明所采用的技术方案是:一种基于金属纳米颗粒增强的压扁型光纤ATR葡萄糖传感器，包括有由光纤纤芯和包裹在光纤纤芯外周的光纤包层构成的光纤，在所述光纤的中部形成有一段压扁区域，在光纤的压扁区域部分的表面上生长有金属纳米颗粒，在所述光纤的两端分别连接有用于连接外部部件的光纤接头。
[0006]所述的光纤为多模光纤。
[0007]所述的光纤纤芯和光纤包层均是采用卤化银材料制作，通光性在波长为4um~18um的范围。
[0008]所述的压扁区域的光纤长度为5~10cm，厚度为50~450um。
[0009]所述的金属纳米颗粒为贵金属或者过渡金属。
[0010]所述金属纳米颗粒的形状为椭球形或棒状，长度为20~lOOnm。
[0011]金属纳米颗粒是通过蒸镀法、化学溶液法或者溅射法均匀的生长在压扁区域中的光纤表面上。
[0012]所述的压扁区域 部分的光纤是只由光纤纤芯构成的光纤,或是由光纤纤芯和包裹在光纤纤芯外周的光纤包层构成的光纤。
[0013]是在以二氧化碳为激光光源的双光路光学系统中进行性能测试和评估。
[0014]所述的激光光源能够输出葡萄糖两个强吸收峰附近的1081、1076、1051、1041和1037cm-1五条谱线作为传感器的工作波长。
[0015]本发明的基于金属纳米颗粒增强的压扁型光纤ATR葡萄糖传感器，可以增加测量灵敏度和提高分辨率，适合植入到人体皮下，对血糖浓度实现在线、连续监测，具有很好的临床应用前景。具有如下特点:
[0016]1、本发明采用植入式在体测量，无需精确计算抽取的组织液体积，直接测量组织液中的葡萄糖浓度，避免了离体测量误差。
[0017]2、本发明的传感器采用光纤压扁式结构，增加了单次全反射穿透深度和全反射次数，提高了测量葡萄糖浓度的灵敏度。
[0018]3、本发明的传感器的压扁区域表面进行金属纳米颗粒修饰，提高了测量分辨率，降低了最小检测极限。
[0019]4、本发明的传感器的性能测试使用双光路结构，包括测量光路和参考光路。参考光路的引入消除了光源功率波动引起的测量误差，并且提高了系统的稳定性和分辨率。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是本发明的光纤ATR葡萄糖传感器示意图；
[0021]图2是本发明的光纤ATR葡萄糖传感器在测量葡萄糖浓度时的光纤传播示意图；
[0022]图3是光纤压扁区域表面经过金属纳米颗粒修饰的增强原理图；
[0023]图4是是采用本发明的光纤ATR葡萄糖传感器的测量系统示意图。
[0024]图中:[0025]1:光纤纤芯2:光纤接头
[0026]3:光纤包层4:压扁区域
[0027]5:金属纳米颗粒6:入射光线
[0028]7:入射角8:葡萄糖溶液
[0029]9:电场线10:金属纳米颗粒的横轴
[0030]11:金属纳米颗粒的纵轴12:光源
[0031]13:衰减器14:分光器
[0032]15:光纤耦合装置16:光纤ATR传感器
[0033]17:样品池18:测量光探测器
[0034]19:参考光 探测器20:测量光锁相放大器
[0035]21:参考光锁相放大器22:数据采集系统
[0036]23:计算机
【具体实施方式】
[0037]下面结合实施例和附图对本发明的基于金属纳米颗粒增强的压扁型光纤ATR葡萄糖传感器做出详细说明。
[0038]如图1所示，本发明的基于金属纳米颗粒增强的压扁型光纤ATR葡萄糖传感器，包括有由光纤纤芯I和包裹在光纤纤芯I外周的光纤包层3构成的光纤，所述的光纤为多模光纤，并且，所述的光纤纤芯I和光纤包层3均是采用卤化银材料制作，通光性在波长为4um~18um的范围，即在波长4um~18um范围内有很好的通光性，柔韧度高，无毒。所述的压扁区域4部分的光纤可以是只由光纤纤芯I构成的光纤，也可以是由光纤纤芯I和包裹在光纤纤芯I外周的光纤包层3构成的光纤。在所述光纤的两端分别连接有用于连接外部部件的光纤接头2，在所述光纤的中部形成有一段压扁区域4，所述的压扁区域4的光纤长度为5~10cm，厚度为50~450um。在光纤的压扁区域4部分的表面上生长有金属纳米颗粒5，所述的金属纳米颗粒5是可以通过蒸镀法或者溅射法均匀的生长在压扁区域4中的光纤表面上的，在高真空的情况下，加热使金属材料成为蒸汽，直接镀于或溅射在光纤基底上，并通过控制真空室的压力、温度以及溅射速率等控制颗粒的大小或者形貌；也可以通过化学溶液法将金属颗粒生长在压扁区域的表面上。
[0039]所述的金属纳米颗粒5为金、银、铜等贵金属或者铁、钼等过渡金属。所述金属纳米颗粒5的形状为椭球形或棒状,长度为30~50nm。
[0040]对于本发明的基于金属纳米颗粒增强的压扁型光纤ATR葡萄糖传感器在测量葡萄糖浓度时的光纤传播进行分析，如图2所示，波长为λ的入射光6，在光纤的压扁区域4的入射角7为Θ，设nl为光纤纤芯I的折射率，ncl为光纤包层3的折射率。由于光纤包层折射率大于光纤纤芯折射率，在未压扁光纤区域，根据全反射知识，当入射角7大于临界角时，光纤纤芯与直部纤芯包层界面发生全反射，光纤无损耗传输。进入光纤的压扁区域4后，入射角7变小，光从光纤纤芯中泄露到包层中，包层与葡萄糖溶液8的界面发生全反射，
从式(I)可以得到压扁光纤界面上的有效吸收系数(约，φ>,即，
[0041]
【权利要求】
1.一种基于金属纳米颗粒增强的压扁型光纤ATR葡萄糖传感器，包括有由光纤纤芯(1)和包裹在光纤纤芯(1)外周的光纤包层(3)构成的光纤，其特征在于，在所述光纤的中部形成有一段压扁区域(4)，在光纤的压扁区域(4)部分的表面上生长有金属纳米颗粒(5),在所述光纤的两端分别连接有用于连接外部部件的光纤接头(2)。
2.根据权利要求1所述的基于金属纳米颗粒增强的压扁型光纤ATR葡萄糖传感器，其特征在于，所述的光纤为多模光纤。
3.根据权利要求1所述的基于金属纳米颗粒增强的压扁型光纤ATR葡萄糖传感器，其特征在于，所述的光纤纤芯(1)和光纤包层(3)均是采用卤化银材料制作，通光性在波长为4um~18um的范围。
4.根据权利要求1所述的基于金属纳米颗粒增强的压扁型光纤ATR葡萄糖传感器，其特征在于，所述的压扁区域(4)的光纤长度为5~10cm，厚度为50~450um。
5.根据权利要求1所述的基于金属纳米颗粒增强的压扁型光纤ATR葡萄糖传感器，其特征在于，所述的金属纳米颗粒(5)为贵金属或者过渡金属。
6.根据权利要求1所述的基于金属纳米颗粒增强的压扁型光纤ATR葡萄糖传感器，其特征在于，所述金属纳米颗粒(5)的形状为椭球形或棒状，长度为20~lOOnm。
7.根据权利要求1所述的基于金属纳米颗粒增强的压扁型光纤ATR葡萄糖传感器，其特征在于，金属纳米颗粒(5)是通过蒸镀法、化学溶液法或者溅射法均匀的生长在压扁区域(4)中的光纤表面上。
8.根据权利要求1所述的基于金属纳米颗粒增强的压扁型光纤ATR葡萄糖传感器，其特征在于，所述的压扁区域(4)部分的光纤是只由光纤纤芯(1)构成的光纤，或是由光纤纤芯(1)和包裹在光纤纤芯(1)外周的光纤包层(3)构成的光纤。
9.根据权利要求1所述的基于金属纳米颗粒增强的压扁型光纤ATR葡萄糖传感器，其特征在于，是在以二氧化碳为激光光源的双光路光学系统中进行性能测试和评估。
10.根据权利要求9所述的基于金属纳米颗粒增强的压扁型光纤ATR葡萄糖传感器，其特征在于，所述的激光光源能够输出葡萄糖两个强吸收峰附近的1081、1076、1051、1041和1037cm-1五条谱线作为传感器的工作波长。
【文档编号】A61B5/1459GK103919561SQ201410113438
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年3月25日 优先权日:2014年3月25日
【发明者】栗大超, 孙长月, 王日东, 王东昂, 徐可欣 申请人:天津大学