基于新型拼接光子晶体光纤的SPR葡萄糖浓度传感器

谭启龙，冯国英*，李筱薇，谭建昌，韩敬华，石中兵

(1.四川大学 电子信息学院 激光微纳工程研究所，四川 成都 610065；2.核工业西南物理研究院，四川 成都 610041)

糖尿病这类代谢异常且极易导致一系列并发症的疾病，病患人数众多[1]，如何精确及快速检测葡萄糖浓度在临床生物及医学中有广泛的应用需求。使用传统的葡萄糖浓度检测方法，如电化学法[2]、荧光法[3]、比色法[4]、近红外法[5]等制备的葡萄糖传感器在使用寿命，抗干扰能力，设备成本等方面仍面临着一定的挑战[6]。

近年来，一种新型的葡萄糖浓度检测技术得到了较快的发展，即光纤表面等离子体共振（SPR）技术[7]。与传统检测方法相比，光纤SPR技术具有原理简单，待测物无需纯化，无标记，能实时、高精度地检测动态反应过程等优点[8]，为人体血糖检测及食品安全等领域提供了良好的平台。以光纤作为载体用于检测葡萄糖浓度的传感器可分为酶型[9]和非酶型[10-11]，酶型技术方案制备的传感器具有对葡萄糖的高选择性，从而引起了研究人员的极大兴趣。目前，研究人员开发出多种光纤结构应用于葡萄糖传感器。例如，Zheng等[12]以终端反射结构的光纤作为载体制作了一款光纤SPR葡萄糖传感器，在0～1.7 mM的葡萄糖浓度范围内，最大波长偏移为11.23 nm。Yang等[13]采用拉锥技术将光纤的腰部直径控制在40 μm，并将金纳米颗粒及葡萄糖氧化酶依次固定于传感区域，从而制备了灵敏度为0.93 nm/mM的葡萄糖传感器。Yu等[11]将光纤进行侧面抛光构成D型光纤结构，进而使用二硫化钼-石墨烯复合材料修饰镀金光纤表面，从而制备了灵敏度高达6 708.87 nm/RIU的葡萄糖传感器。Zhao等[14]在多模光纤（MMF）之间插入一段单模光纤，并在其表面沉积了一层银膜用于激发SPR效应，在质量分数为0～40%的葡萄糖浓度范围内，所制备的传感器获得了6 536.84 nm/RIU。此外，可将光子晶体光纤（PCF）应用于传感器的制备[15-16]，以提高传感器灵敏度。例如，Wang等[17]在多模光纤之间插入一段PCF，并其表面涂覆了一层温度敏感膜，所制备的传感器灵敏度为1 551 pm/℃。尽管光纤葡萄糖传感器得到了长足的发展，但是，上述传感器或鲁棒性不足，难以应用于复杂环境；或在工艺上复杂繁琐，制作困难；或难以应用于低浓度葡萄糖环境。

本文提出并实现了一种MPPM结构的SPR光纤葡萄糖传感器。使用熔接机将多模光纤与两段相同长度的PCF光纤级联拼接，制备MPPM光纤结构，通过在传感区域涂覆一层化学性质稳定且生物相容性好的金膜完成传感器的制备。通过设置相同结构不同长度、不同结构相同长度的传感区进行对比实验，研究结构和长度变化对PCF光纤传感器的影响。实验结果表明：PCF光纤长度对灵敏度没有明显影响，MPPM结构的传感器的SPR共振峰深度得到了有效加强。传感区域使用化学交联法固定GOD后，传感器在0～0.8 mg/mL的葡萄糖浓度范围内表现出良好的稳定性及对葡萄糖的特异性识别功能。

1 传感结构制备及相关原理

如图1（a）所示，传感器结构由两段多模光纤（62.5/125 μm）及两段长度相等的六孔柚子型光子晶体光纤（包层直径124.6 μm，纤芯直径6.2 μm，微孔直径13.3 μm）构成，并使用小型磁控溅射镀膜仪（VTC-16-SM，合肥科晶）沉积了48 nm厚的金层。整个传感区域的长度为L。PCF端面光学显微镜图如图1（b）所示。图1（c）、（d）显示了MMF与PCF熔接区域及PCF之间的熔接区域分别产生长度约为214 μm、321 μm的气孔塌陷。当光从MMF传输到PCF时，由于在塌陷区域没有核心包层结构，造成了部分光从纤芯泄漏进入包层。当沿着PCF纤芯的光传输到两个PCF之间的塌陷区时，PCF纤芯的光再次泄露，使得更多光的能量被表面等离子体吸收，从而导致共振峰的深度增加[18-19]。

图1 传感器原理图、PCF结构及塌陷区显微图Fig.1 Sensor schematic diagram, PCF structure and collapse area micrograph

为制造所提出的光纤结构，需要使用商用光纤熔接机（88S，藤仓）和光纤切割刀（CT50，藤仓）。将熔接机熔接参数恢复出厂设置并改为自动熔接模式，与手动熔接模式相比，该模式不需要耗费对准纤芯的时间成本，熔接过程简单高效。图2显示了传感器制备过程。如图2（a）所示，通过自动熔接模式将MMF与PCF熔接，制备多模光纤-PCF结构。图2（b）显示了将上述两段相同结构的光纤放电熔接。最后通过小型磁控溅射镀膜仪将包含结构的光纤区域溅射上一层薄的金层，如图2（c）所示。

图2 传感器结构的制备流程Fig.2 Fabrication process of the sensor structure

在光纤SPR传感器中，光在光纤包层与金属界面处会发生多次全反射，可将Krestchmann棱镜原理应用于对光纤SPR的分析[14]。当满足金膜的厚度小于倏逝波的穿透深度条件时，全反射产生的倏逝波穿透金属薄膜存在于金属膜与待测介质的界面。倏逝波波矢在传输方向上的分量可以表示为[17]：

式中， ω为入射光角频率，c为真空中的光速， ε0为光纤包层的介电常数， θ为入射角度。在金膜与介质的界面上，金膜受到倏逝波的激发产生沿着金属表面传播的电磁波，被称为表面等离子体波，其波矢 βspw为：

式中， εm为金属的介电常数， εs为待测介质的介电常数。当高阶包层模式产生的倏逝波波矢与金属层表面等离子体波的波矢相匹配时，即：

式（3）意味着发生共振吸收，形成表面等离子体效应，从而在透射光谱上出现吸收峰。入射光的波长被称为共振波长。当待测介质的折射率发生变化时，波长则会出现相应的移动。通过测量波长的变化，可以得到待测介质的折射率与波长的变化。由于谐振波长对周围折射率变化非常敏感，因此SPR传感器可以表现出对折射率的高灵敏度。

由于GOD能够专一性的催化葡萄糖，因此通过将GOD固定在以光纤作为载体的表面以实现葡萄糖作为检测物质的光纤SPR传感器是可行的[20]。GOD与葡萄糖反应过程如下[21]：

由式（4）可知，该酶促反应产生葡萄糖酸和过氧化氢。葡萄糖转化为葡萄糖酸会导致较大的折射率变化同时意味着光纤传感区域周围环境发生了改变，从而在透射光谱上表现出共振波长发生移动的现象[9,22]。

2 实 验

为了验证上述的理论分析，本文探究不同传感区长度L（即光子晶体光纤总长）对传感器的性能影响，并探究MPM（多模光纤-光子晶体光纤-多模光纤）结构传感器和MPPM（多模光纤-光子晶体光纤-光子晶体光纤-多模光纤）结构的传感器的折射率灵敏度的差异。本文将MPPM结构传感器置于不同浓度的葡萄糖溶液中进行折射率实验，并评估了传感器对葡萄糖的特异性识别功能和稳定性。下列实验均在恒温（20 ℃）恒湿的超净光学实验室中进行。入射宽谱光源的有效波长范围为300～2 500 nm （LSHT75，卓立汉光），使用光谱分析仪（ATP5020，奥谱天成，300～2 500 nm）记录传输光谱。

实验中使用的葡萄糖氧化酶（GOD，来自黑曲霉，50 KU/g）、巯基乙胺（MEA）、氯化钾及氯化钠均购自上海阿拉丁试剂，50%戊二醛（GA）、壳聚糖和葡萄糖购于成都科隆化工，所用试剂均为分析纯。

2.1 不同传感区长度的折射率灵敏度

实验探究不同传感区长度L（即光子晶体光纤总长）对传感器的性能影响，对L为5、10、15 mm的光纤传感结构的传感器性能进行了对比测量。室温下制备了折射率分别为1.333、1.340、1.347、1.355、1.363、1.371和1.380的折射率溶液[14]。将3种不同传感区长度（5、10、15 mm）的传感器分别浸入到上述溶液中，得到不同传感区长度的传感器的透射光谱及相应共振波长移动量的拟合曲线，如图3所示。从图3（a）、（b）、（c）可知，1.333～1.380的折射率范围内，传感器的SPR谱分别向长波长方向移动了98.09、94.58和95.71 nm。从图3（d）可知，3种L的传感器对折射率的响应表现出相似的性能，即传感区长度对灵敏度没有明显影响[17]。为了减少微结构制备操作时造成的误差，因此选择传感区长度为10 mm用于制备传感器并进行后续的实验探究。

图3 相同结构、不同传感区长度的传感器的透射光谱和波长移动的拟合曲线Fig.3 Transmission spectra of sensors with different sensing area lengths and the fitting curve of wavelength shift

2.2 不同传感结构的折射率灵敏度

为了探究MPPM结构对传感器的折射率灵敏度变化情况，本文特意设计了MPM光纤结构用于对比实验。制备上述两种不同结构的传感器并镀金处理，将MPM及MPPM结构的传感器分别浸入到不同的折射率液中采集透射光谱，并将相应的共振波长移动量进行拟合，结果见图4。

图4 不同结构传感器在不同折射率溶液中的SPR谱及对应的波长的曲线关系Fig.4 SPR spectra and corresponding wavelength curves function of sensors with different structures in solutions with different refractive indices

如图4（a）、（b）所示：随着折射率的升高，共振波长向长波长方向移动；在1.333～1.380的折射率范围内，MPPM结构传感器的折射率灵敏度从1 187.01 nm/RIU变化到2 816.41 nm/RIU。拟合曲线如图4（c）所示，相比于MPM结构的最大灵敏度（2 714.57 nm/RIU），MPPM结构的传感器的最大灵敏度（2 816.41 nm/RIU）提高了101.84 nm/RIU。

此外，本文继续探究了MPPM结构的SPR共振峰深度。图5显示了两种结构的传感器在折射率为1.333的溶液中输出的SPR光谱。

图5 MPM与MPPM结构的SPR共振峰深度对比Fig.5 SPR resonance peak depth comparison between MPM and MPPM structures

从图5中可以看出，与MPM结构传感器相比，MPPM结构的传感器的SPR共振峰深度更深，意味着更容易和精确地识别出共振波长位置，得到的传感器灵敏度参数能够更准确。

2.3 不同浓度溶液的葡萄糖传感器灵敏度

图6显示了用于低浓度葡萄糖检测的传感系统示意图，该系统由宽带光源发出可见光并在光纤传感区域产生SPR效应，随后通过光谱仪采集光谱数据，并使用光谱软件对数据进行分析处理，其中在光纤传感区域上沉积了金膜并且固定了GOD。

图6 实验装置示意图Fig.6 Schematic diagram of the experimental setup

2.3.1 MPPM结构葡萄糖传感器的制备

下述实验均在恒温（25 ℃）恒湿的超净光化学实验室内进行。GOD固定步骤如图7所示：首先，在黑暗环境条件下将涂覆有金膜的光纤浸入浓度为10 mM的MEA溶液过夜，通过Au—S键的结合在金膜表面暴露出游离的氨基；随后，将光纤浸入体积分数为2%的戊二醛溶液1.5 h，通过Schiff base反应原理将氨基与戊二醛的醛基结合使金膜表面产生游离的醛基；最后，在光纤表面滴入浓度为15 mg/mL的GOD溶液，恒温4 ℃反应2 h，通过游离的醛基与GOD分子上的氨基发生反应使GOD被固定在光纤表面。

图7 GOD固定过程示意图Fig.7 Schematic diagram of GOD fixation process

2.3.2 MPPM结构葡萄糖传感器的实验结果及讨论

本实验将低浓度的葡萄糖溶液滴加到传感器并收集透射光谱数据。为保证采集的数据准确可靠，待响应的光谱数据完全稳定时再进行采集，此过程约90 s，与先前报道的葡萄糖传感器所观察到的情况一致[20]。将GOD修饰的传感器分别浸入浓度范围为0～1.2 mg/mL的葡萄糖溶液。图8为GOD修饰的传感器对不同浓度葡萄糖的透射光谱及对应共振波长移动量的拟合结果。从图8（a）可以看出，随着葡萄糖浓度的增加，传感器的共振波长产生红移现象。由图8（b）可知，随着葡萄糖浓度增加，共振波长的移动量先增加后趋于不变。结果表明，在0～0.8 mg/mL的葡萄糖范围内，共振波长的偏移量与葡萄糖浓度呈良好的线性变化，线性拟合度为约0.954，其关系为：

图8 葡萄糖传感器在不同浓度葡萄糖溶液中的SPR谱及其关系拟合Fig.8 SPR spectrum of glucose sensor in different concentrations of glucose solution and its relationship fitting

式中：y为波长移动量，nm；x为葡萄糖浓度，mg/mL；传感器的灵敏度为29.61 nm/(mg·mL-1)。产生上述现象的原因可能是当葡萄糖浓度较低时，酶的结合位点充足，酶与葡萄糖分子充分快速结合，导致波长偏移量与葡萄糖浓度的关系呈线性变化。当葡萄糖浓度在0.8～1.2 mg/mL的范围内继续增加时，酶的结合位点达到饱和，导致传感器周围环境的折射率变化较小，共振波长的偏移量趋于不变。

将近年来已报道的光纤葡萄糖传感器进行对比，结果见表1。从表1中可知，相比于传统的裸光纤结构葡萄糖传感器，本文所提出的传感器的灵敏度得到了较大提升，最大可达102倍；与光纤SPR传感器相比，对葡萄糖的响应得到改善，最大可达32倍。

表1 不同传感结构的葡萄糖传感器性能对比Tab.1 Performance comparison of glucose sensors with different sensing structures

为了验证上述随葡萄糖浓度变化的共振波长移动是由于GOD分子与葡萄糖的特异性结合引起的环境折射率改变，而不是葡萄糖本身浓度变化导致的折射率改变，研究了未固定GOD的传感器对低葡萄糖浓度范围的灵敏度响应。将0～0.6 mg/mL的葡萄糖溶液分别滴加到未固定GOD的传感器的传感区域，各浓度对应的透射光谱和共振波长的拟合曲线如图9所示。通过图9（a）可知，各浓度对应的透射谱几乎重合。从图9（b）观察到，透射谱对应的共振波长的拟合曲线呈水平直线，说明共振波长没有发生移动。因此低浓度葡萄糖范围内由葡萄糖浓度变化引起的折射率改变对波长的漂移影响可以忽略。

图9 未固定GOD的传感器在葡萄糖溶液中的SPR谱及其关系拟合Fig.9 SPR spectrum of the sensor without immobilized GOD in glucose solution and its relationship fitting

为评估传感器对葡萄糖的特异性识别功能，本文继续探究了葡萄糖传感器对浓度相同（0.8 mg/mL）的4种不同溶液（氯化钾KCL、氯化钠NaCL、壳聚糖Chitosan和葡萄糖Glucose）的响应，结果见图10。如图10所示，将传感器分别浸入到4种溶液中，在壳聚糖和葡萄糖溶液中，共振波长分别移动约1.6 nm和21.5 nm，氯化钾和氯化钠溶液中没有明显的波长移动。该实验表明该传感器对葡萄糖具有稳定的特异性识别功能。

图10 传感器对不同溶液的响应Fig.10 Response of the sensor to different solutions

此外，稳定性是生物传感器的一个重要性能指标，是对测量结果准确性的一个重要表征。为评估传感器的稳定性，在浓度为0.2 mg/mL的葡萄糖溶液中对传感器进行了50 min的连续监测并每隔一段时间记录光谱数据。将间隔一定时间的共振波长作了一个曲线拟合，如图11所示。由图11可知，波长位置基本没有发生移动，表明所提出的葡萄糖传感器稳定性能良好。

图11 传感器在不同时刻下的SPR谱及其关系拟合Fig.11 SPR spectrum of the sensor at different times and its relationship fitting

3 结 论

本文基于表面等离子体共振原理设计并制作了一种光纤传感器。通过对光子晶体光纤进行简单加工使得在光子晶体光纤之间产生了一个约321 μm的塌陷区域从而制备了MPPM结构的光纤传感器，并且通过溅射镀膜仪溅射金膜修饰光纤从而产生SPR效应。实验发现：不同PCF长度对传感器的灵敏度影响较小。在折射率溶液为1.380时，传感器拥有2 816.41 nm/RIU的高折射率灵敏度。与MPM结构相比，MPPM结构的传感器表现出更大的共振深度，提高了传感测量精度。在金膜上固定GOD的传感器对葡萄糖获得了29.61 nm/(mg·mL-1)的灵敏度。

综上所述，MPPM结构的传感器具有制备简单、结构紧凑、灵敏度高等优势；戊二醛在镀金光纤表面固定GOD的方法简单高效，所制备的拼接光子晶体光纤的葡萄糖传感器表现出灵敏度高、选择性好及高稳定性，为高灵敏度的光纤传感器在人体血糖的检测方面提供了新的方案。将该光纤葡萄糖传感器应用于人体血糖检测是下一阶段研究的重点。