基于渐变波导COHb与O2 Hb混合浓度传感技术研究

邹任玲 陈抱雪 王海虹

1(上海理工大学医疗器械与食品学院，上海 200093)

2(上海理工大学光电学院，上海 200093)

3(上海市现代光学系统重点实验室，上海 200093)

引言

一氧化碳是一种对血液和神经系统毒性强且广泛存在的污染物，通过呼吸系统进入人体血液内，与血液中的血红蛋白(hemoglobin，Hb)、肌肉中的肌红蛋白、含二价铁的呼吸酶结合，形成可逆性的结合物。在正常情况下，经过呼吸系统进入血液的氧与血红蛋白(Hb)结合，形成氧合血红蛋白(O2Hb)才能被输送到机体的各个器官和组织，参与正常的新陈代谢活动。一氧化碳与血红蛋白的结合力比氧与血红蛋白的结合力大200～300倍，进入血液的一氧化碳优先与Hb结合，形成碳氧血红蛋白COHb;另一方面，COHb的解离速度只是 O2Hb的1/3600。因此，一氧化碳与血红蛋白的结合，不仅降低了红细胞携带氧的能力，而且还抑制、延缓O2Hb的解析释放O2，导致机体组织因缺氧而坏死，严重时危及人的生命。通过测定血液中一氧化碳血红蛋白(COHb)，氧合血红蛋白(O2Hb)浓度，可诊断患者CO中毒的程度，具有重要的临床意义[1]。目前临床试验室血液COHb、O2Hb的定量测定方法主要有气相色谱法、分光光度法等，气相色谱法操作繁琐，临床试验应用少。分光光度法COHb浓度最低检出限是5%，无法进行低浓度检测。

本研究首次采用折射率渐变波导作为传感机制，利用光波导导模的传输特性对波导结构的折射率分布变化、介质吸收特性变化等敏感特性，实现了对氧合血红蛋白及碳氧血红蛋白的浓度测试。在此基础上，试制了一种用于包层吸收损耗测试的双样品盒串连的波导回路传感结构，实测了COHb和O2Hb混合物的浓度，通过对临床样品测定，在COHb＞1%时，测定结果较为理想，适用于临床上诊断性定量测定，而分光光度法当浓度于＞5%才有线性，与分光光度法的测定结果具有良好的可比性，验证了本方法的有效性，为COHb和O2Hb混合物浓度的测定提供了一种新方法。

1 折射率渐变波导传感测试理论

血红蛋白液与碳氧血红蛋白薄层作为敏感层，包层作为有吸收介质包层的费米函数渐变波导的折射率分布可表示为[2]：

式中，ncr和nci分别是包层折射率的实部和虚部，ns是基板折射率，Δn是基板表面折射率增量，a和 d是与渐变波导的变化率及有效厚度等有关的参数。由WKB方法得到导模本征方程

包层对光波的吸收系数αc以及由此引起的波导对导模的吸收系数αw可以写成

用相互作用比R表征导模损耗与介质包层吸收之间的相关程度[3-4]，定义为

R通过βi与波导参数关联，其大小直接反映波导结构传感包层吸收的敏感程度。采用血红蛋白作为包层后，相互作用比 R只与 βi成正比，而 βi与波导结构参数有关[5]，因此有必要对波导结构参数进行优化设计，使得在确定的吸收介质包层和波长下，βi有最大值。在实际波导工艺实验中试制不同厚度(d值)的波导，找到在R峰值对应的波导作为传感检测波导。TM模的传感灵敏度比TE模的大，这是费米折射率分布波导包层吸收模谱的基本特征。出现这种特征的原因与导模模场在波导结构中的约束程度有关，导波光学指出的一般规律是：在同一扩散深度下，高阶模的约束程度比低阶模的低，TM模的约束程度比同阶号的TE模的低，另一个导模场特点是，导模的模场约束程度与扩散深度成正比，然而过分减小波导的扩散深度会使导模截止，造成传感灵敏度骤然下降[6]。

2 传感测试系统设计

2.1 Ag+-Na+离子交换制备波导传感制备工艺

根据上述理论可以确定最佳波导厚度，在离子交换波导中，折射率分布形式是由离子交换反应过程决定的[7]，而波导的结构可以通过控制加工工艺条件加以优化。因此要进一步研究波导的制备工艺，选择 Ag+-Na+离子交换技术[8]的原因有二：一是离子交换工艺操作简单，成本较低，便于大量制作光波导;二是Ag+-Na+离子交换的光波导的折射率是渐变的，在波导参数的研究上更具代表性。Ag+-Na+离子交换的原理如图1所示。

在350℃的高温下，玻璃基片中的 Na+能够比较自由地迁移，基片浸入熔融状态下的纯 AgNO3时，在玻璃表面处会形成 Ag+、Na+浓度梯度，离子将由高浓度区域向低浓度区域扩散以达到平衡。这样，玻璃中的Na+就会与外界的Ag+发生交换，而且进入玻璃的Ag+会继续与玻璃中的 Na+进行交换，从而扩散到更深的玻璃内部，扩散区域的折射率会因Ag+含量不同而相应增大。

图1 离子交换原理Fig.1 Principles of ion exchange

各阶模等效折射率与离子交换时间有关，随着离子交换时间的增加，TE模和TM模的各阶模等效折射率也相应增加。如图2和图3所示。因此控制好时间能确定等效折射率，精确知道波导折射率分布情况与波导厚度的关系，就可以利用波导的光传输理论模拟波导的光学性质和设计传感器件。考虑到扩散深度较小的波导中，导模的包层倏逝场的渗出深度比处于扩散深度较大的波导中的导模的大，因此传感灵敏度较大，本传感装置设计采用扩散深度较小、交换时间为45 min的波导。

图2 TE模折射率与交换时间的关系图Fig.2 TE mode refractive index of the relationship with the exchange time

2.2 传感测试系统结构设计

传感系统采用如下结构，选用 R(TM0)=0.0176的灵敏度高的TM模式检测(TE测试方法类同)。

图3 TM模折射率与交换时间的关系图Fig.3 TE mode refractive index of the relationship with the exchange time

图4 光波导传感器实验结构Fig.4 Experimental structure waveguide sensor

光波导传感器制作过程如下：离子交换制作相应厚度的敏感波导，然后清洗该波导，配比10 μm粒子酒精溶液，使用匀胶机在洗净的波导上均匀涂上一层10 μm粒子。将两片沿光传输方向的长度为4 mm的玻片覆盖在波导上，开启激光器半小时左右，待激光器输出光功率稳定后，将已固定的实验波导用双棱镜耦合的办法调试，得到所需TM模式，在输出端如图4放置一个柱透镜，使得输出线形输出光经柱透镜聚焦成点形输出光。转动棱镜耦合台，转到其中一个模式(如：转到TM0模式)，安置光功率计并对准点形输出光且记录读数。中间不装载样品溶液时，波导损耗主要由传输散射引起，此时测得棱镜输出功率 Pout1=αoutP(L)=αoutP0exp(-2βwiL)。配置各种混合浓度的血红蛋白液与碳氧血红蛋白溶液，用吸管小心滴加该配置溶液至Ls1与波导之间的缝隙中，记录读数，测出棱镜输出功率 Pout2= αinαoutPinexp(-2βwiL-2βiLs1)。操作过程几乎不摄动包括棱镜耦合结构在内的光路系统，涉及输出和输入的耦合效率维持不变;接着在Ls2与波导之间的缝隙中滴加该溶液，同时记录下光功率计的读数 Pout3= αinαoutPinexp(-2βwiL-2βiLs1-2βiLs2)。由三次测试的输出功率可以得到

该方法的优点是采用了多次测量，提高了精度，样品尺寸只要精确控制一个即可。并且该方法中Pout1可以由计算约去，可通过分步测试的方法消除包括波导自身损耗、棱镜耦合损耗和系统其它额外损耗在内的本底损耗的影响。由于液体注入采用在样品盒边缘处微量滴液后经毛细管效应吸附来实现，操作过程几乎不摄动包括棱镜耦合结构在内的光路系统，涉及输出和输入的耦合效率维持不变，因此本底损耗βi在求解时被抵消。

2.3 COHb溶液、O2 Hb混合样品溶液折射率 ncr、nci和浓度的求解

溶液吸收系数αc与nci有如下关系：

通常溶液的吸收系数与浓度c有关，α0是某种成分的固有吸收系数(单位长度、单位浓度下的吸收常数与波长有关)，在本实验中采用比色计预先测得血红蛋白溶液在420 nm波长下的α0为0.055 μm-1，有

通过测量光功率的大小即可有上述关系得出浓度值的大小。分别采用血红蛋白敏感波长420 nm和430 nm光波交替通过波导传感装置，测出在各种不同浓度下输出功率，然后由式(4)可得出不同混合物浓度下的βi值。考虑到COHb和O2Hb溶液有不同的吸收光谱，吸收光谱曲线表明，COHb的最大吸收波长在420 nm左右，O2Hb的最大吸收波长在430 nm左右，两组分的光谱有重叠现象，在波导传感装置后端通过导数光谱零交技术数据处理消除干扰[9]。

与浓度相关的 βr的值也可以由图4实验装置测出，棱镜底面下置有样品溶液，忽略棱镜的微扰，近似看成是一个带有吸收型包层介质的平面波导。此时采用 TM波，调节入射角 θp激励某阶导模，由棱镜耦合同步角原理，该阶导模的传播常数的实部βr由下式给出：

式中，θp是棱镜的底角，np是棱镜的折射率，是传感装置的固有参数，只需测试入射角θ就可以得出βr。

对于TM波，测得 βi和 βr后，代入是渐变波导TM模的本征方程(2)，可以求出两个未知量 ncr和nci，再由式(7)得到浓度。

3 临床测试结果

采用饱和 COHb溶液、饱和O2Hb溶液以及双蒸水配制成12个不同混合溶液标准样品，利用图4光波导传感结构测量，浓度测试结果以及βi的值见表1。

表1 不同混合溶液浓度测试结果Tab.1 The results of different concentrations of mixed solution

βi的值表征溶液包层吸收特征的折射率虚部，由输出功率Pout的实验结果计算出来，由表1可知：溶液包层吸收特征的折射率虚部βi与溶液浓度之间具有十分显著的线性关系。由βi等参数测算的nci与样品浓度C的相关关系，相关系数为0.9949，高于临界值0.684，显示出十分显著的线性相关关系，因此采用扩散深度较小，交换时间为45 min，R(TM0)=0.0176厚度的波导具有很高的线性度，这与理论分析的结果一致。

表1结果还显示了浓度测试结果与实际配制浓度值的结果，两值的均方差小于0.054%，在COHb含量为1%～100%范围内具有优良的线性关系，验证了折射率渐变的波导传感测试的有效性。

4 讨论与结论

出现上述TM模式、低阶模(0模)、波导扩散深度小而灵敏度越高这种特征的原因与导模模场在波导结构中的约束程度有关，导模的模场约束程度与扩散深度成正比，在同一扩散深度下，高阶模的约束程度比低阶模的低，TM模的约束程度比同阶号的TE模的低。低约束程度的导模意味着其包层倏逝场的渗出深度比较大，光波与包层介质的相互作用增强，传感灵敏度因此增大。

上述包层吸收损耗的结果表明表征溶液包层吸收特征的折射率虚部与溶液浓度之间具有十分显著的线性相关性。实验测试的结果与实际浓度两值的均方差小于0.054%，比目前采用双波长分光测量方法的均方差要小[10]。在COHb含量为1%～100%范围内具有优良的线性关系，对双波长分光光度法测定要求COHb＞5%，具有良好的可比性，实现了混合物含量测定并取得满意效果。为混合物浓度的测定提供了一种新方法。装置中采用的混合熔盐离子交换工艺制备波导的优点是工艺条件十分稳定，可以得到大面积均匀薄膜;另一个是合适的熔盐配方可以改善基板表面应力，得到界面光滑、传输损耗很小的波导，适合在临床上推广应用。

[1]杨根元，仪器分析[M].北京：人民卫生出版社，2005：34-57.

[2]Zou Renling，Chen Baoxue，Wang Haihong，et al.The sensing structure optimization of planer optical waveguide with fermi refractive index. [J].Lightwave Technol，2010，12(8)：3439-3444.

[3]Ismail EA，Sergio BM，Nasuhi Y，et al.Highly sensitive spectroscopic detection of heme-protein submonolayer films by channel integrated optical waveguide [J].Opt Express，2007，15(9)：5595-5603.

[4]Kirsch ST.Determining the refractive index and thickness of thin films from prism coupler measurements[J].Appl Opt，1981，20：2085-2089.

[5]Sasaki K，Takahashi H，Kudo Y，et al.Determining the absorption coefficient of absorbing thin films with optical waveguides[J].Appl Opt，1980.19： 3018-3021.

[6]王海虹，陈抱雪，邹任玲，等.费米折射率波导的包层吸收模谱特性和溶液浓度传感研究[J].光学学报，2008，28：1333-1337.

[7]DeGrandpre MD，Burgess LW，White PL.，et al.Thin film planar waveguide sensor for liquid phase absorbance measurements.[J].Anal Chem，1990，62：2012-2017.

[8]Ramaswamy RY，Srivastava R.Ion-exchanged glass waveguides[J].Lightwave Technol，1988，6： 984-1001.

[9]于建忠.用偏最小二乘分光光度法同时测定牛乳中的钙和镁[J]. 天津科技大学学报，2004，1：62-65.

[10]朱传福.一阶导数分光光度法测血红蛋白含量[J].山东医药，2001，41：75-76.