微尺度光纖探針及葡萄糖含量的檢測方法、裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及生化傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種微尺度光纖探針、葡萄糖含量的檢 測方法、裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 在日常生活中，獲取葡萄糖的含量信息具有重要的意義。血糖是提供人體能量的 主要物質(zhì)，對于人體血糖濃度的檢測，在生物醫(yī)療方面的臨床檢測中就顯得至關(guān)重要，因為 血糖的偏高和偏低都反應(yīng)出人體代謝方面出現(xiàn)了問題。在臨床治療中，葡萄糖溶液作為注 射療法經(jīng)常使用，為進(jìn)食困難的病人直接提供給養(yǎng)和能量。在工業(yè)應(yīng)用中，葡萄糖又作為還 原劑大量使用。因此，對于葡萄糖的檢測是一項具有現(xiàn)實應(yīng)用意義的技術(shù)。
[0003] 目前光纖傳感器在生物化學(xué)方面的應(yīng)用得到了很大的發(fā)展。但實現(xiàn)方法多集中于 應(yīng)用特種光柵技術(shù)。如2012年，SaurabhManiTripathia采用長周期光纖光柵被用來進(jìn)行 大腸桿菌的傳感測量；AkashDeep也采用長周期光纖光柵用來進(jìn)行葡萄糖的傳感。這兩篇 文章中都是將光纖光柵表面修飾后，固定特殊的抗體來實現(xiàn)對目標(biāo)的選擇性探測。2014年 BinbinLuo采用同樣方法，對大角度的傾斜光柵進(jìn)行表面修飾后，固定上葡萄糖氧化酶，通 過測共振波長漂移的方法實現(xiàn)了對葡萄糖濃度范圍為0~3mg/mL的探測，靈敏度能夠達(dá)到 0. 298nm_ (mg/mir1。但是使用特種光柵技術(shù)實現(xiàn)生化傳感的方式，尺寸大，靈敏度過低，對 于用來檢測的儀器的分辨率的要求就要很高，使得該項技術(shù)的使用成本也較高，另外光柵 長期使用下的可靠性也存在問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：針對現(xiàn)有的光纖傳感的方式探測葡萄糖含量技術(shù) 存在的問題，提供一種微尺度光纖探針、基于微尺度光纖探針的葡萄糖含量的檢測方法和 裝置。
[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：
[0006] 本發(fā)明提供一種微尺度光纖探針，所述微尺度光纖探針為一段直徑為微米級的微 納光纖，所述微納光纖表面修飾有葡萄糖氧化酶（GOD)，用于測量葡萄糖溶液中葡萄糖的含 量。
[0007] 所述微尺度光纖探針的制備方法，包括以下步驟：
[0008] 取一根直徑為微米級的微納光纖，激活所述微納光纖表面的氫氧基；
[0009] 將所述微納光纖浸入濃度為8-12mg/mL的葡萄糖氧化酶的醋酸鈉混合溶液中，進(jìn) 行1. 8-2. 2小時的孵化；
[0010] 然后用醋酸鈉緩沖液清洗；
[0011] 再采用去離子水清洗；
[0012] 干燥。
[0013] 進(jìn)一步的，所述激活微納光纖表面的氫氧基，具體步驟為：
[0014] 將所述微納光纖浸入濃度為95%的H2SOj^ H 202溶液中0. 8-1. 2個小時。
[0015] 所述微納光纖浸入葡萄糖氧化酶的醋酸鈉混合溶液中孵化之前，將所述微納光纖 浸入質(zhì)量比為8%-12%的硅烷偶聯(lián)劑酒精溶液35-45分鐘，然后用去離子水和酒精清洗干 凈，以去除未附著在光纖表面的混合物。
[0016] 本發(fā)明提出了基于微尺度光纖探針的葡萄糖濃度的檢測方法，包括以下步驟：
[0017] 將微尺度光纖探針置于待測葡萄糖溶液中，
[0018] 寬譜光源發(fā)出的光波，通過第一光纖耦合器分別耦合進(jìn)入?yún)⒖急酆蛡鞲斜?，其?參考臂由光衰減器和光延遲線構(gòu)成，傳感臂由微尺度光纖探針構(gòu)成，兩臂中傳輸?shù)墓獠ǖ?達(dá)第二光纖耦合器匯合之后進(jìn)入光譜分析儀，光譜分析儀上顯示出干涉光譜；測量干涉光 譜的變化，經(jīng)過信號解調(diào)后，獲得待測葡萄糖溶液中的葡萄糖含量。
[0019] 所述信號解調(diào)包括以下步驟：
[0020] 尋找所述干涉光譜上的特定級次波谷，用極值法找到該波谷的最低點，
[0021] 在最低點附近選取一段光譜再進(jìn)行高斯擬合，獲得波谷的中心波長，
[0022] 然后以葡萄糖的濃度為橫軸，波谷在光譜上的位置為縱軸，畫出散點圖做線性擬 合，獲得光譜漂移隨葡萄糖濃度變化的曲線，曲線的斜率就為靈敏度；將所述干涉光譜與 葡萄糖濃度為0時的干涉光譜作對比，獲得特定級次波谷的中心波長在光譜上位置的漂移 量，所述漂移量與所述靈敏度的乘積即被測的葡萄糖溶液的濃度。
[0023] 本發(fā)明同時還提供了一種基于微尺度光纖探針的葡萄糖濃度的檢測裝置，包括寬 譜光源，第一光纖耦合器，第二光纖耦合器，光衰減器，光延遲線，所述微尺度光纖探針，光 譜分析儀，所述第一光纖耦合器通過光路分別連接參考臂和傳感臂，所述參考臂由所述光 衰減器、光延遲線構(gòu)成，所述傳感臂由所述微尺度光纖探針構(gòu)成，兩臂中傳輸?shù)墓獠ǖ竭_(dá) 第二光纖耦合器匯合之后進(jìn)入所述光譜分析儀。
[0024] 作為另一優(yōu)選方案，基于微尺度光纖探針的葡萄糖濃度的檢測方法，包括以下步 驟：
[0025] 將多模的所述微尺度光纖探針置于待測葡萄糖溶液中，
[0026] 寬譜光源發(fā)出光波直接耦合進(jìn)入所述多模的微尺度光纖探針，所述多模的微尺度 光纖探針的另一端接入光譜分析儀，光譜分析儀上會顯示出干涉光譜；測量干涉光譜的變 化，經(jīng)過信號解調(diào)后，獲得待測葡萄糖溶液中的葡萄糖含量。
[0027] 所述信號解調(diào)包括以下步驟：
[0028] 尋找所述干涉光譜上的特定級次波谷，用極值法找到該波谷的最低點，
[0029] 在最低點附近選取一段光譜再進(jìn)行高斯擬合，獲得波谷的中心波長，
[0030] 然后以葡萄糖的濃度為橫軸，波谷在光譜上的位置為縱軸，畫出散點圖做線性擬 合，獲得光譜漂移隨葡萄糖濃度變化的曲線，曲線的斜率就為靈敏度；將所述干涉光譜與 葡萄糖濃度為〇時的干涉光譜作對比，獲得特定級次波谷的中心波長在光譜上位置的漂移 量，所述漂移量與所述靈敏度的乘積即被測的葡萄糖溶液的濃度。
[0031] 相對應(yīng)于上述基于微尺度光纖探針的葡萄糖濃度的檢測方法的裝置，包括寬譜光 源，多模的所述微尺度光纖探針，光譜分析儀，依次連接光路。在該裝置中，表面修飾了葡萄 糖氧化酶的多模微納光纖伸入裝了特定濃度葡萄糖溶液的容器中，測量干涉光譜，與葡萄 糖濃度為〇時的干涉光譜作對比，計算出光譜漂移，乘以傳感靈敏度，計算出葡萄糖溶液的 濃度。
[0032] 本發(fā)明的檢測方法原理如下：光波在微納光纖中傳輸時，在光纖外部存在倏逝波 并沿光纖軸向傳輸，倏逝波與微納光纖外部的環(huán)境相互作用。葡萄糖在微納光纖表面修飾 的葡萄糖氧化酶（GOD)的催化作用下，轉(zhuǎn)化成葡萄糖酸，葡萄糖酸引起環(huán)境折射率改變，使 得倏逝波在該區(qū)域傳輸時產(chǎn)生相位調(diào)制，從而導(dǎo)致微納光纖等效光程的變化。通過光纖干 涉儀的方法測量因葡萄糖濃度變化帶來的光程的變化信息，即可測得葡萄糖的含量。
[0033] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下主要優(yōu)點：
[0034] 其一采用微納光纖作為傳感載體，制作簡單，靈敏度高。
[0035] 其二對微納光纖進(jìn)行了表面修飾，實現(xiàn)了葡萄糖的選擇性探測，準(zhǔn)確度高。
[0036] 其三采用了基于MZI的干涉結(jié)構(gòu)，傳感裝置的結(jié)構(gòu)極其簡單，并且進(jìn)一步提升了 傳感的靈敏度。
[0037] 本傳感裝置可以廣泛的應(yīng)用于生物醫(yī)療生產(chǎn)，臨床治療時的葡萄糖檢測。
【附圖說明】
[0038] 下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體說明。
[0039] 圖1為【具體實施方式】的微納光纖探針制作流程圖。
[0040]圖2是本發(fā)明的雙臂微尺度光纖馬赫一曾德爾（MZI)干涉?zhèn)鞲薪Y(jié)構(gòu)的示意圖。
[0041] 圖2中：1一寬譜光源；2-第一光纖耦合器（1X2) ;3-光衰減器；4一光延遲線； 5-第二光纖耦合器（1X2) ;6-光譜分析儀；7-微尺度光纖探針；8-葡萄糖溶液容器。
[0042] 圖3是本發(fā)明的單根多模微尺度光纖在線馬赫一曾德爾（MZI)干涉結(jié)構(gòu)示意圖。
[0043] 圖3中：9-寬譜光源；10-多模的微尺度光纖探針；11-葡萄糖溶液容器； 12-光譜分析儀。
[0044] 圖4是本發(fā)明的信號解調(diào)技術(shù)的數(shù)據(jù)處理流程圖。
[0045] 圖5是本發(fā)明的光譜數(shù)據(jù)示意圖。
【具體實施方式】
[0046] 本發(fā)明提供了一種基于微尺度光纖探針的葡萄糖含量檢測技術(shù)，采用經(jīng)過葡萄糖 氧化酶（GOD)表面修飾的微納光纖為探針，實現(xiàn)葡萄糖含量測量。其工作原理如下：光波在 微納光纖中傳輸時，在光纖外部存在倏逝波并沿光纖軸向傳輸，倏逝波與微納光纖外部的 環(huán)境相互作用。葡萄糖在微納光纖表面修飾的葡萄糖氧化酶（GOD)的催化作用下，轉(zhuǎn)化成 葡萄糖酸，葡萄糖酸引起環(huán)境折射率改變，使得倏逝波在該區(qū)域傳輸時產(chǎn)生相位調(diào)制，從而 導(dǎo)致微納光纖等效光程的變化。通過光纖干涉儀的方法測量因葡萄糖濃度變化帶來的光程 的變化信息，即可測得葡萄糖的含量。
[0047] 如圖1所示，本發(fā)明提供一種微尺度光纖探針的制作方法，其具體制備過程為：
[0048] 1)將標(biāo)準(zhǔn)單模光纖中部，采用氫氧焰加熱的方法，拉伸至微米尺度直徑，得到一根 微納光纖；
[0049] 2)將微納光纖浸入濃度為5%的HNO3溶液中浸泡，以去除微納光纖表面的污染 物，然后用去離子水和酒精清洗干凈；
[0050] 3)將微納光纖浸入濃度為95%的H2SO^ H 202溶液中0. 8-1. 2個小時，以激活光 纖表面的氫氧基，然后用去離子水和酒精清洗干凈；
[0051] 4)將微納光纖放在空氣中干燥；
[0052] 5)將微納光纖浸入體積比為8 % -12 %的APTES (硅烷偶聯(lián)劑）的酒精溶液30-50 分鐘，然后用去離子水和酒精清洗干凈，以去除未附著在光纖表面的混合物；
[0053] 6)將微納光纖浸入濃度為8-12mg/mL的葡萄糖氧化酶的醋酸鈉混合溶液，進(jìn)行 1. 8-2. 2小時的孵化，然后用醋酸鈉緩沖液清洗，再采用去離子水清洗，然后放在空氣中干