基于光纖表面等離子體共振的葡萄糖檢測裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光纖生物醫(yī)學(xué)傳感器設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別涉及一種基于光纖表面等離子體共振的葡萄糖檢測裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]糖尿病是人類最常見的疾病之一。依據(jù)世界健康組織2010年調(diào)查數(shù)據(jù)，世界范圍內(nèi)有超過2.85億人口的糖尿病患者，并且預(yù)測這一數(shù)據(jù)到2030年會增加一倍?？焖儆行У难呛繖z測手段成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)與大眾患者的重要需求。在眾多的血糖檢測傳感器中，電化學(xué)傳感器居多，但此類傳感器無法實(shí)現(xiàn)動態(tài)實(shí)時(shí)血糖含量檢測，因此不能實(shí)時(shí)的掌握患者血液當(dāng)前的血糖含量，為及時(shí)供藥帶來困難。高精度與微創(chuàng)化是未來血糖檢測傳感器的發(fā)展趨勢。光纖傳感技術(shù)以細(xì)如發(fā)絲的光纖為物理媒質(zhì)，以光波為信息載體，具有結(jié)構(gòu)小巧、靈敏度高、抗電磁干擾、耐腐蝕、生物兼容性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，成為近十年來發(fā)展最為迅速的生物傳感技術(shù)之一。
[0003]在光纖生物傳感研究的相關(guān)報(bào)道中，傾斜光纖光柵成為近些年的研究熱點(diǎn)。在兼具常規(guī)光纖傳感器特點(diǎn)之外，傾斜光纖光柵可激發(fā)數(shù)百個(gè)對周圍環(huán)境敏感度不同的模式，因此大大豐富了其檢測對象，并提高了測量精度。例如，利用一根傾斜光纖光柵，可實(shí)現(xiàn)折射率和溫度的同時(shí)區(qū)分測量，這為復(fù)雜溫變環(huán)境下微量生物變化信號的精確測量提供手段。隨著傾斜光纖光柵制作工藝的日臻完善，其在生物醫(yī)學(xué)檢測領(lǐng)域中具有非常廣闊的應(yīng)用前景。
[0004]通過在光纖表面鍍金、銀等金屬薄膜，可將滿足相位匹配條件的傾斜光纖光柵包層模耦合至金屬薄膜，形成等離子體共振波。較傳統(tǒng)倏逝場效應(yīng)的光纖傳感方式，等離子體共振波具有更高的生物檢測靈敏度，相關(guān)領(lǐng)域已成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。已報(bào)道的等離子體共振光纖生物檢測方法通常需要在金屬鍍膜表面修飾一層生物敏感膜，用以實(shí)現(xiàn)對待測生物樣品的特異性檢測。生物敏感膜的制備和綁定需要復(fù)雜的工藝，且在一定程度上影響了傳感器的重復(fù)性和穩(wěn)定應(yīng)。此外，傳統(tǒng)等離子體共振波的檢測方法是基于波長檢測方式，需要價(jià)格昂貴的精密波長解調(diào)儀，這也限制了此技術(shù)的推廣應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單且檢測精度高的基于光纖表面等離子體共振的葡萄糖檢測裝置。本發(fā)明無需在金屬薄膜表面修飾生物敏感膜，并通過光強(qiáng)探測方式取代波長解調(diào)方法，不僅簡化了葡萄糖檢測裝置的制備工藝，同時(shí)大大降低了裝置成本。
[0006]本發(fā)明的第二目的在于提供一種基于上述葡萄糖檢測裝置的葡萄糖檢測方法。
[0007]本發(fā)明的第一目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):一種基于光纖表面等離子體共振的葡萄糖檢測裝置，包括通過光纖依次連接的光源、起偏器、偏振控制器和傳感器探頭，還包括濾波器和光電探測器，所述傳感器探頭通過濾波器與光電探測器連接；
[0008]所述傳感器探頭包括刻有傾斜光纖光柵的光纖，所述光纖包層外表面鍍有納米級厚度的金屬膜，光源發(fā)出的光經(jīng)過起偏器和偏振控制器后入射到傳感器探頭刻有傾斜光纖光柵的光纖中，光纖中產(chǎn)生的包層模耦合至光纖包層外表面的金屬膜，激發(fā)表面等離子體共振，傳感器探頭將光纖輸出的含有等離子體共振波的光輸入通過濾波器輸入到光電探測器中；濾波器中心波長匹配光纖包層外表面所激發(fā)的表面等離子體共振波峰值衰減波長。
[0009]優(yōu)選的，光纖中傾斜光纖光柵的傾角為10至25度，軸向?yàn)殚L度小于20mm。
[0010]優(yōu)選的，光纖包層外表面鍍有的金屬膜為銀膜、銅膜或者鋁膜，其中金屬膜的厚度為 40 至 50nm。
[0011]優(yōu)選的，光纖包層外表面通過磁控濺射方式鍍上納米級厚度的金屬膜。
[0012]優(yōu)選的，所述光源輸出光譜為1400至1600nm，所述光源輸出光譜的范圍與傳感器探頭光纖中傾斜光纖光柵光譜匹配；濾波器帶寬為2至5nm。
[0013]優(yōu)選的，所述傳感器探頭光纖中傾斜光纖光柵通過準(zhǔn)分子激光器及相位掩膜板方式寫制而成。
[0014]本發(fā)明的第二目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):一種基于上述裝置實(shí)現(xiàn)的基于光纖表面等離子體共振的葡萄糖檢測方法，步驟如下:
[0015]S1、將傳感器探頭浸入葡萄糖待測血清溶液中，光源輸出光經(jīng)過起偏器后轉(zhuǎn)變成偏振光，偏振控制器將偏振光的偏振方向調(diào)節(jié)成與傳感器探頭內(nèi)傾斜光纖光柵寫制方向相一致;
[0016]S2、在葡萄糖待測血清溶液中加入定量葡萄糖氧化酶，葡萄糖氧化酶催化葡萄糖產(chǎn)生過氧化氫腐蝕傳感器探頭光纖包層外表面的金屬膜；
[0017]S3、與傾斜光纖光柵側(cè)向?qū)懼品较蛞恢碌钠窆廨斎氲秸诟袦y葡萄糖待測血清溶液的傾斜光纖光柵中，傾斜光纖光柵將入射光從光纖纖芯耦合至光纖包層中，其中滿足相位匹配條件的包層?？神詈现凉饫w包層外表面的金屬膜，激發(fā)產(chǎn)生表面等離子體共振波，并在光纖透射譜中產(chǎn)生一個(gè)衰減包絡(luò)；傳感器探頭輸出的光通過該濾波器后，將含有表面等離子共振波衰減包絡(luò)的光能量傳輸至光電探測器獲得光強(qiáng)信息；
[0018]S4、隨著傳感器探頭光纖包層外表面的金屬膜被過氧化氫腐蝕，光纖包層外表面的金屬膜厚度變小，金屬膜表面的等離子體共振波激發(fā)條件被破壞，表面等離子體共振波衰減包絡(luò)幅度減小，通過濾波器進(jìn)入光電探測器的光強(qiáng)能量上升，根據(jù)探測得到的光強(qiáng)能量隨時(shí)間變化的響應(yīng)速率得出血清溶液中葡萄糖濃度。
[0019]優(yōu)選的，偏振光為平行于傾斜光纖光柵寫制方向的偏振光分量。
[0020]更進(jìn)一步的，步驟SI中偏振光平行于傾斜光纖光柵寫制方向的偏振方向通過光纖包層外表面的金屬膜表面所激發(fā)的表面等離子體共振波的共振峰幅度來確定，即平行于傾斜光纖光柵寫制方向時(shí)表面等離子體共振峰幅度最大。
[0021]優(yōu)選的，所述步驟S4中光電探測器將溫度變化引起的纖芯模波長漂移轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴?qiáng)變化信息，得到葡萄糖待測血清溶液的溫度變化信息。
[0022]本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果:
[0023](I)本發(fā)明在傳感器探頭光纖中刻上傾斜光纖光柵，并且在光纖包層外表面鍍上金屬膜，偏振光入射到刻有傾斜光纖光柵的光纖后，光纖中產(chǎn)生的包層模耦合至光纖包層外表面的金屬膜，激發(fā)產(chǎn)生表面等離子體共振波，并在光纖透射譜中產(chǎn)生一個(gè)衰減包絡(luò)，傳感器探頭輸出的光通過該濾波器后，將含有表面等離子共振波衰減包絡(luò)的光能量傳輸至光電探測器獲得光強(qiáng)信息；本發(fā)明在葡萄糖濃度檢測過程中，在待測血清溶液中加入葡萄糖氧化酶催化產(chǎn)生過氧化氫腐蝕光纖包層外表面金屬膜，使得金屬膜厚度變小，進(jìn)而使得金屬膜表面激發(fā)的表面等離子體共振波衰減包絡(luò)幅度減小，不同濃度葡萄糖加入同量的葡萄糖氧化酶后產(chǎn)生的過氧化氫量也不同，因此對光纖包層外表面金屬膜的腐蝕速度也不相同，過氧化氫量越多，腐蝕速度越快，金屬膜表面激發(fā)的表面等離子體共振波衰減包絡(luò)幅度減小的越快，而光電探測器的光強(qiáng)能量上升的越快。因此本發(fā)明通過光電探測器探測得到的光強(qiáng)能量隨時(shí)間變化的響應(yīng)速率能夠精確的得出血清溶液中葡萄糖濃度。并且本發(fā)明無需在金屬薄膜表面修飾生物敏感膜，通過光強(qiáng)探測方式取代波長解調(diào)方法，不僅簡化了葡萄糖檢測裝置的制備工藝，同時(shí)大大降低了裝置成本。具有檢測過程簡便且檢測裝置結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)。
[0024](2)本發(fā)明通過添加葡萄糖氧化酶實(shí)現(xiàn)葡萄糖濃度檢測的方法可實(shí)現(xiàn)葡萄糖特異性檢測，由于血清中的其他成分不會因添加葡萄糖氧化酶而產(chǎn)生過氧化氫，因此本發(fā)明方法可特異性檢測血清中葡萄糖。
[0025](3)本發(fā)明較傳統(tǒng)電化學(xué)傳感器，基于光纖載體的光波傳感方式具有相應(yīng)速度快的特點(diǎn)，因此可實(shí)現(xiàn)葡萄糖濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測。
[0026](4)本發(fā)明由于光纖纖芯模僅對溫度敏感，而對環(huán)境折射率不敏感；因此通過檢測光纖纖芯模式，可實(shí)現(xiàn)溫度信息的實(shí)時(shí)測量，進(jìn)而消除溫度變化對測量結(jié)果的影響，具有溫度自補(bǔ)償功能。
[0027](5)本發(fā)明方法將高靈敏度表面等離子體共振技術(shù)由傳統(tǒng)數(shù)十毫米尺度的三角棱鏡替代為僅有百微米尺度的光纖探針，實(shí)現(xiàn)了傳感器探頭的小型化。此外，本發(fā)明傳感器探頭統(tǒng)將整個(gè)光路集成在一根光纖內(nèi)實(shí)現(xiàn)(包含傳感光波信息的獲取與傳輸)，克服了傳統(tǒng)三角棱鏡方式中光波信息的空間耦合不穩(wěn)定問題，具有集成度高且適合于微量生物溶液檢測的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明通過有效控制入射光的偏振態(tài)，可實(shí)現(xiàn)光纖內(nèi)特定包層模式與光纖表面金屬薄膜內(nèi)等離子共振波之間近100%的高效率能量耦合。
[0028](6)本發(fā)明光纖包層外表面金屬膜厚度為40至50nm，這種厚度的金屬膜可確保等離子體共振以最佳效率激發(fā)，在金屬膜腐蝕過程中，光纖輸出光的透射譜中可獲得明顯且能量集中的等離子體共振波衰減包絡(luò)幅度變化。
【附圖說明】
[0029]圖1是本發(fā)明葡萄糖檢測裝置的組成結(jié)構(gòu)框圖。
[0030]圖2是本發(fā)明葡萄糖檢測裝置中傳感器探頭工作原理圖。
[0031]圖3是本發(fā)明葡萄糖檢測裝置中傳感器探頭光纖包層外表面金屬膜在腐蝕前的光纖透射圖。
[0032]圖4是本發(fā)明葡萄糖檢測裝置中傳感器探頭光纖包層外表面金屬膜在腐蝕后的光纖透射圖。
[0033]圖5是不同濃度的血清葡萄糖溶液通過本發(fā)明檢測方法后光電探測器探測到的光強(qiáng)能量變化數(shù)據(jù)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0035]實(shí)施例
[0036]如圖1所示，本實(shí)施例公開了一種基于光纖表面等離子體共振的葡萄糖檢測裝置，包括通過光纖依次連接的光源1、起偏器2、偏振控制器3、傳感器探頭4、濾波器5和光電探測器6 ;如圖2所示，傳感器探頭4包括刻有傾斜光纖光柵7的光纖，光纖包層外表面鍍有納米級厚度的金屬膜8，光源I發(fā)出的光經(jīng)過起偏器2和偏振控制器3后入射到傳感器探頭4刻有傾斜光纖光柵的光纖中，光纖中產(chǎn)生的滿足相位匹配條件的包層模耦合至光纖包層外表面的金屬膜，激發(fā)表面等離子體共振，傳感器探頭將含有等離子體共振波9的光經(jīng)過濾波器5后輸入到光電探測器6中，通過光電探測器6獲得光強(qiáng)度信息。其中濾波器中心波長匹配光纖包層外表面所激發(fā)的表面等離子體共振波峰值衰減波長。
[0037]在本實(shí)施例中傳感器探頭4光纖包層外表面通過磁控濺射方式鍍上納米級厚度的金屬膜。本實(shí)施例光纖包層外表面鍍有的金屬膜為銀膜，其中銀膜的厚度為