一種基于局部表面等離子體共振的高靈敏度折射率傳感器的制備方法

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)面臨的最大挑戰(zhàn)之一是開(kāi)發(fā)具有成本效益的技術(shù)，能夠及時(shí)準(zhǔn)確地診斷疾病，并且不受電磁干擾（EMI）的影響。無(wú)標(biāo)記光學(xué)傳感器為幾乎任何環(huán)境（包括EMI環(huán)境）中的生物化學(xué)傳感提供了一種有前景的方法。折射率（RI）傳感器在無(wú)標(biāo)記光學(xué)生物傳感中具有重要意義。具有微米級(jí)腰徑的錐形光纖（TOF）RI傳感器可以通過(guò)在長(zhǎng)距離上減少模體積而顯著提高傳感器的靈敏度。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近日，美國(guó)歐道明大學(xué)（Old Dominion University）的研究人員在Scientific Reports期刊上發(fā)表了題為“Ultrasensitive tapered optical fiber refractive index glucose sensor”的論文，提出了一種基于局部表面等離子體共振（LSPR）的高靈敏度折射率傳感器的制備方法。研究人員制備了兩個(gè)腰徑分別為5 μm和12 μm的TOF RI傳感器（腰長(zhǎng)l = 5 mm）。腰徑是提高TOF靈敏度的關(guān)鍵。

與TOF（? = 12 μm）相比，TOF（? = 5 μm）顯著提高了傳感器的葡萄糖傳感能力。金納米顆粒（AuNPs）修飾的TOF（? = 12 μm）對(duì)葡萄糖的靈敏度高達(dá)2032%/RIU。經(jīng)AuNPs修飾的TOF傳感器的靈敏度比TOF（? = 12μm）提高了近4倍，RI范圍為1.328至1.393。所制備的TOF能夠?qū)崿F(xiàn)具有良好穩(wěn)定性和快速響應(yīng)的超靈敏葡萄糖檢測(cè)，這可能會(huì)推動(dòng)下一代超靈敏生物傳感器的實(shí)際應(yīng)用，例如疾病診斷。

葡萄糖傳感的實(shí)驗(yàn)裝置如下圖所示。TOF傳感區(qū)域完全浸沒(méi)在目標(biāo)分析物中。輸入光經(jīng)過(guò)光學(xué)衰減器和偏振控制器傳播以通過(guò)TOF，隨后將輸出光耦合到光學(xué)光譜分析儀。TOF包括一個(gè)過(guò)渡區(qū)域，其具有平滑的線性錐形輪廓和較小的均勻腰徑（? = 5 μm或? = 12 μm）。

葡萄糖傳感實(shí)驗(yàn)裝置

研究人員證明了TOF作為RI傳感器用于檢測(cè)各種葡萄糖濃度的能力。當(dāng)葡萄糖濃度從5 wt%增加到45 wt%時(shí)，傳感器的功率輸出強(qiáng)度隨之下降。此外，裸TOF的靈敏度與其直徑高度相關(guān)，并且對(duì)光偏振不敏感，這對(duì)于現(xiàn)實(shí)應(yīng)用是理想的。裸TOF（? = 5 μm）傳感器表現(xiàn)出比裸TOF（? = 12μm）更好的傳感能力。

裸TOF傳感器在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)葡萄糖溶液中的測(cè)量光譜

腰徑越大的TOF可靠性越好，但靈敏度越低。因此，為了提高靈敏度，在光纖腰部表面涂覆AuNPs。在用AuNPs修飾TOF（? = 12μm）后，盡管線性RI范圍略有下降，但傳感器的靈敏度提高了約4倍。在1.328-1.379的RI范圍內(nèi)，靈敏度為2032%/RIU。TOF的腰徑越小，傳感器對(duì)生化環(huán)境的變化越敏感。由于AuNPs具有較高的表面體積比，能夠用于生物分子吸附，并產(chǎn)生局部表面等離子體共振，因此在TOF表面修飾AuNPs可提高靈敏度。

AuNPs修飾的TOF（? = 12μm）傳感器在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的葡萄糖溶液中的測(cè)量光譜

總之，研究人員制備了兩個(gè)腰徑分別為5 μm和12 μm的TOF（l?=?5 mm），在λ?=?1559 nm下其靈敏度顯著增強(qiáng)，可用于室溫下的葡萄糖傳感（5-45 wt%）。由于倏逝場(chǎng)中傳播的光與葡萄糖分子的相互作用，光輸出功率隨著葡萄糖濃度的增加而降低。在TOF表面涂覆AuNPs作為葡萄糖傳感的活性層，通過(guò)倏逝波與沉積在錐形腰部的AuNPs的相互作用產(chǎn)生LSPR。與TOF（? = 12 μm）的靈敏度（560%/RIU）相比，TOF（? = 5 μm）對(duì)葡萄糖的靈敏度顯著提高，達(dá)1265%/RIU。

經(jīng)AuNPs修飾的TOF傳感器的靈敏度比TOF（? = 12 μm）提高了近4倍，且RI范圍為1.328至1.393。TOF（? = 12 μm）制備方法簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、重復(fù)性好，并且可以很容易地用納米材料進(jìn)行修飾以提高傳感能力。然而，微米級(jí)錐形光纖傳感器非常脆弱，其機(jī)械強(qiáng)度還需要提高，以適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用。未來(lái)的工作將探索封裝TOF RI傳感器的方法，用于檢測(cè)生化過(guò)程中的生物識(shí)別信息。

審核編輯：劉清