集成光纖傳感器的微流控芯片用于同步監(jiān)測(cè)葡萄糖溶液濃度和溫度

近年來(lái)，越來(lái)越多的人患有高血糖癥。高血糖癥是指患者血液中葡萄糖濃度水平高于正常值的癥狀，其典型指標(biāo)為患者的血糖濃度在餐后2小時(shí)高于7.7 mmol/L。目前，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)患者血糖水平的有效監(jiān)測(cè)，相關(guān)研究已經(jīng)提出了幾種基于特殊干涉結(jié)構(gòu)的表面等離子共振（SPR）和局域表面等離子共振（LSPR）葡萄糖傳感器。但是，這些傳感器在進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，仍然存在葡萄糖溶液濃度與溫度測(cè)量之間的串?dāng)_問(wèn)題，從而影響了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外，大多數(shù)葡萄糖傳感器是點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這使得監(jiān)測(cè)血糖濃度的整體分布很困難。因此，亟需開(kāi)發(fā)一個(gè)有效的血糖濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近期，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究人員提出了一種集成高靈敏度雙參數(shù)光纖傳感器的微流控芯片，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)葡萄糖溶液濃度和溫度。相關(guān)研究成果以“Microfluidic Chip with Fiber-Tip Sensors for Synchronously Monitoring Concentration and Temperature of Glucose Solutions”為題發(fā)表于Sensors期刊。

集成不同形狀的光纖傳感器會(huì)對(duì)微流控芯片通道內(nèi)的流場(chǎng)產(chǎn)生不同影響。因此，研究人員首先采用有限元法分析了光纖傳感器探頭形狀對(duì)流場(chǎng)的影響。研究人員對(duì)半球罩形、矩柱形、圓柱形和錐形基底的探頭進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并在一定的流速下進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果顯示，相比于其他類(lèi)型探頭，當(dāng)流體流過(guò)半球罩形探頭（HCSP）和錐形探頭時(shí)，流場(chǎng)恢復(fù)速度更快。此外，采用低成本的光纖端面點(diǎn)膠法即可以制備出半球罩形傳感器探頭。因此，該研究選定半球罩形探頭光纖傳感器集成到微流控芯片上。

圖1 （a）包括半球罩形、矩柱形、圓柱形、錐形四種探頭結(jié)構(gòu)在內(nèi)的仿真分析示意圖；（b）流場(chǎng)分布

該研究所制備的微流控芯片中設(shè)置了兩條寬度為600 μm的通道作為葡萄糖溶液和去離子水的流入通道。該通道與中央反應(yīng)池相連，以保證葡萄糖溶液和去離子水均勻混合。通過(guò)控制流速和流入時(shí)間，可以控制混合后的葡萄糖溶液濃度。此外，將多個(gè)光纖傳感器探頭連接到高速光纖光柵解調(diào)器上，利用相干光源可以實(shí)現(xiàn)葡萄糖溶液溫度和濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖2 （a）微流控芯片設(shè)計(jì)示意圖；（b）集成光纖的微通道橫截面示意圖；（c）半球罩形傳感器探頭（HCSP）光場(chǎng)干涉原理示意圖

圖3 （a）連接液體管道和半球罩形傳感器探頭（HCSP）的微流控芯片視圖，右下角放大部分為半球罩形傳感器探頭（HCSP）視圖；（b）集成半球罩形傳感器探頭（HCSP）的微流控芯片與解調(diào)系統(tǒng)示意圖

為了測(cè)試該微流控芯片對(duì)葡萄糖溶液溫度和濃度的檢測(cè)靈敏度，研究人員將微流控芯片放置在30°C的室溫下，并以1°C為梯度在不同通道中依次注入溫度為32°C~37°C的去離子水。如圖4a所示，HCSP-1的干涉光譜隨著溫度的升高逐漸向長(zhǎng)波方向偏移。為了更詳細(xì)地揭示波長(zhǎng)位移與溫度之間的關(guān)系，在各干涉光譜中選取1547 nm處的干涉傾角，并記錄其在不同溫度下的中心波長(zhǎng)。

對(duì)各溫度下的干涉傾角的平均中心波長(zhǎng)進(jìn)行線性擬合，結(jié)果顯示，在32℃~37℃溫度范圍內(nèi)，HCSP-1、HCSP-2和HCSP-3的溫度靈敏度分別為285 pm/°C、297.1 pm/°C和314 pm/°C。此外，對(duì)微流控芯片濃度靈敏度的研究結(jié)果顯示，在0.2 g/L~1.2 g/L范圍內(nèi)，HCSP-1、HCSP-2和HCSP-3的濃度靈敏度分別為?0.539 dB/(g/L)、?0.678 dB/(g/L)和?0.577 dB/(g/L)。

圖4 （a）FP干涉反射譜的溫度響應(yīng)；（b）HCSP-1的溫度響應(yīng)；（c）HCSP-2和HCSP-3的溫度響應(yīng)；（d）FP干涉反射譜的濃度響應(yīng)；（e）HCSP-1的濃度響應(yīng)；（f）HCSP-2和HCSP-3的濃度響應(yīng)

隨后，研究人員對(duì)該微流控芯片的檢測(cè)穩(wěn)定性和重復(fù)性進(jìn)行了測(cè)試。將HCSP-1置于30°C和40°C的水浴中25 min，從圖5a中可以看出，HCSP-1的最大偏差（包括讀數(shù)誤差、擬合誤差和環(huán)境變化引起的誤差）為0.08 nm?？傮w而言，除輕微抖動(dòng)外，干涉傾角穩(wěn)定。因此，該微流控芯片具有良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性。

圖5 （a）HCSP-1在30°C~40°C時(shí)的穩(wěn)定性試驗(yàn)；（b）HCSP-1在30°C~40°C時(shí)的重復(fù)性試驗(yàn)

綜上所述，該研究提出了一種集成光纖傳感器的微流控芯片，可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)葡萄糖溶液溫度和濃度，具有低成本、高性能的特點(diǎn)，有利于藥物發(fā)現(xiàn)、病理研究和材料科學(xué)研究。

審核編輯：劉清