引用本文:

沈迪,孙晓岚,严钰杨,等. 应用于人体环境的长周期光纤光栅葡萄糖传感器[J]. 光通信技术,2021,45(5):36-39.

应用于人体环境的长周期光纤光栅葡萄糖传感器

沈 迪,孙晓岚*,严钰杨,范美端,周 爽

(上海大学 特种光纤与光接入网重点实验室,上海 200444)

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摘要:为了提高葡萄糖传感器在人体环境(pH值为7.4)的检测灵敏度,提出了一种基于苯硼酸衍生物的长周期光纤光栅葡萄糖传感器,传感器将四乙烯基苯硼酸通过C=C双键重组的方式聚合在长周期光纤光栅表面,用于测量葡萄糖浓度。实验结果表明:该葡萄糖传感器在多次使用后中心波长仍可复位原点,在葡萄糖溶液pH值为 7.4、浓度为0.1~3 mg/mL范围内的灵敏度为0.34 nm/(mg·mL-1)。此外,该传感器在反复测定和长时间阶段测定仍然保持良好的一致性和稳定性。

关键词:葡萄糖传感器;人体环境;长周期光纤光栅;苯硼酸;四乙烯基苯硼酸

中图分类号:TN256 文献标志码:文章编号:1002-5561(2021)05-0036-04

DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2021.05.008

0 引言
       据统计,全球年龄标准化糖尿病患病率男性为9.0%,女性为7.9%[1],2010年中国成人糖尿病患病率为11.6%[2]。葡萄糖含量是糖尿病诊断的重要依据[3],因此,准确测定葡萄糖浓度意义重大。可用于葡萄糖浓度测量的系统很多,包括电化学系统[4-5]和光学传感系统[6-7]。电化学系统以其快速和简单著称,但它们有相对较大的背景噪声和电极氧化的倾向[8],而光学传感系统可以有效地避免这些问题[9-10]。根据传感系统的信号转换方式,可以将光学传感系统分为光纤倏逝波传感器[11]、表面等离子体共振(SPR)传感器[12]、荧光猝灭传感器[13]和光纤光栅传感器[14]。除光纤光栅传感器以外,其它几种均为光强探测型传感器,容易受到光源、光纤连接损耗等方面的影响。而长周期光纤光栅是对周围环境比较敏感的一种无源光学器件,具有无后向反射、体积小和易于集成化等诸多特点[15]。与许多其它光学传感器相比,长周期光纤光栅通常表现出更高的灵敏度[15-16],可与广泛使用的SPR传感器[17-18]相媲美;然而,与SPR传感器不同,长周期光纤光栅传感器不需要金属涂层,因此长周期光纤光栅在传感领域备受关注。
  在葡萄糖浓度检测领域,长周期光纤光栅凭借其灵敏度高、无后向反射等优势成为研究的一大热点。2012年,Deep A等人[19]在长周期光纤光栅表面修饰葡萄糖氧化酶,实现了对葡萄糖的专一性检测,该传感器在葡萄糖浓度范围为0.1~3.0 mg/mL时的灵敏度为0.806 nm/(mg·mL-1)。2016年,香港理工大学[20]利用小直径单模光纤制备成光栅,实现了低浓度葡萄糖检测,检测极限低至1 nm。2017年,英国阿斯顿大学[21]采用B/Ge双峰光栅与葡萄糖氧化酶结合制备葡萄糖传感器,该传感器最高灵敏度可达12.21 nm/(mg·mL-1)。2019年,北京信息科技大学[22]将葡萄糖氧化酶与长周期光纤光栅相结合,利用复合材料使系统表现出高稳定性。上述文献都将葡萄糖氧化酶作为识别物以对葡萄糖进行特异性检测,并通过改变光栅的结构以提升传感器的灵敏度。然而,葡萄糖氧化酶与葡萄糖反应是单向的,不具有可重复性,这意味着检测一次就需要重新制备,不利于实验对比。而且,葡萄糖氧化酶对温度、湿度等环境条件要求严格,只能在酸性条件下存活,不能在人体常温环境下进行检测。由于小直径单模光纤具有易折断、稳定性差等缺点,因此B/Ge双峰光栅和特殊的复合材料制备复杂。
  苯硼酸作为一种含苯环的硼酸化合物,可以与糖脂、糖、核苷酸和糖蛋白等多羟基物质可逆地合成硼酸酯[23]。此外,苯硼酸类化合物具有良好的稳定性和较高的反应活性,可以降解为环境友好的硼酸[24-25]。苯硼酸及其衍生物因其优异的性质在生物传感器领域也得到了广泛的应用。因此,本文采用四乙烯基苯硼酸代替葡萄糖氧化酶作为葡萄糖检测的识别物,并采用制备简单的普通长周期光纤光栅作为载体,制作具有可重复性的传感器。

4 结束语
       本文用碳-碳聚合的方式将四乙烯基苯硼酸聚合在长周期光纤光栅表面,实验测得该传感系统在葡萄糖溶液pH值为7.4、浓度为0.1~3.0 mg/ml时的灵敏度为0.34 nm/(mg·ml-1),该灵敏度与葡萄糖氧化酶作为识别物的检测系统具有相同数量级的灵敏度。而苯硼酸及其衍生物有对反应环境条件要求低、可在弱碱性环境下反应,以及与葡萄糖反应具有可逆性等优点,使得制备的葡萄糖传感器稳定且可重复检测,有望在人体环境实现葡萄糖浓度的检测。此外,光栅的模式越高,对外界环境的灵敏度越高,所以后续实验将考虑更换更高模式的光栅来增强传感系统的灵敏度。