[發明專利]基于金屬納米顆粒增強的壓扁型光纖ATR葡萄糖傳感器

有效

• 申請號: 201410113438.0
• 申請日: 2014-03-25
• 公開（公告）號: CN103919561A
• 公開（公告）日: 2014-07-16
• 發明（設計）人: 栗大超;孫長月;王日東;王東昂;徐可欣
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: A61B5/1459
• 分類號: A61B5/1459
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 杜文茹

技術領域

本發明涉及一種葡萄糖傳感器。特別是涉及一種基于金屬納米顆粒增強的壓扁型光纖ATR葡萄糖傳感器。

背景技術

糖尿病發病率日益上升，且呈年輕化和擴大化趨勢，與腫瘤、心腦血管病一起被列為世界范圍內的三大疑難病癥。糖尿病引起的多種并發病嚴重威脅人類健康，然而目前臨床上還沒有徹底根治糖尿病的醫學手段。傳統的利用生化分析來進行糖尿病檢測的方法有創傷，測量速度較慢，試劑及相關耗材處理不當還可能會造成污染，而且不能實現連續測量。微創血糖濃度檢測技術是一種測量組織液中葡萄糖濃度的連續血糖檢測技術，具有無痛、可實現性更強和測量速度快等特點。當前微創血糖檢測技術中，臨床應用最廣泛的是將酶電極植入皮下的酶電極植入式葡萄糖傳感器。

酶電極植入式葡萄糖傳感器的基本原理是將帶有酶電極的微葡萄糖傳感器植入皮下，通過測量組織液中葡萄糖與酶反應的電流來反映組織液中的葡萄糖濃度信息。因此這種傳感器在檢測時很容易受到人體生物電干擾，使得測量結果產生漂移，而且葡萄糖氧化酶與葡萄糖反應會將糖不可逆的消耗掉，在低血糖情況下測量結果不準確。盡管酶電極植入式葡萄糖傳感器已經是商業化產品，但是只能作為糖尿病臨床治療的輔助手段。隨著科學技術的不斷發展，光纖ATR傳感器由于其對葡萄糖零消耗、具有高精度、受外界理化因素影響小而且克服了傳統酶電極傳感器受生物電干擾的缺陷等優點而逐漸成為研究熱點。光纖的材質種類很多，但是傳輸范圍在葡萄糖指紋譜（950～1200cm^-1）波段的紅外光纖僅包括空芯波導光纖、多晶鹵化銀光纖盒硫化金屬類光纖。硫化金屬類光纖毒性較大，不適合植入人體；空芯波導光纖多由玻璃、陶瓷等組成，柔韌性不好，易脆裂損壞，而鹵化銀光纖（AgCl和AgBr的混合物）具有較低損耗，在8～14μm波段，其值在0.5dB/m以下，且無毒、不吸濕，柔韌性好，便于制成各種類型的光纖ATR傳感器，是植入人體皮下的光纖材料的最佳選擇。早期的研究主要集中在直型、彎曲型、扁平型和錐形。直型的靈敏度不夠高，而錐形和彎曲型盡管有一定的靈敏度增強，但是制造加工方面不好控制，實際應用中較為困難，壓扁型結構光纖結構簡單，適合植入人體皮下，實現對血糖濃度的連續實時監測。光纖壓扁后，壓扁區域的入射角更加接近臨界角，不僅單次穿透深度增大，而且壓扁區域的全反射次數比未壓扁前也明顯增加，從而傳感器的靈敏度也大大提高。為了進一步增加壓扁型光纖傳感器的靈敏度，采用金屬納米顆粒對壓扁區域的表面進行修飾。研究認為，由于金屬納米顆粒的尺寸小于紅外入射波長，因此可以認為金屬顆粒處于均勻的電場中。在入射光與粗糙金屬表面相互作用下，金屬表面電子發生集體運動形成表面等離子體，并與入射光電場耦合振蕩。當入射光頻率與表面等離子體的振蕩頻率接近時，產生共振，使表面局域電場極大增強，遠大于入射光電場強度。最終使吸附在貴金屬表面的分子振動的偶極矩的振幅增加，分子的紅外光譜得到顯著增強，傳感器的測量分辨率也會提高。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，提供一種可以增加測量靈敏度和提高分辨率，適合植入到人體皮下，對血糖濃度實現在線、連續監測的基于金屬納米顆粒增強的壓扁型光纖ATR葡萄糖傳感器。

本發明所采用的技術方案是：一種基于金屬納米顆粒增強的壓扁型光纖ATR葡萄糖傳感器，包括有由光纖纖芯和包裹在光纖纖芯外周的光纖包層構成的光纖，在所述光纖的中部形成有一段壓扁區域，在光纖的壓扁區域部分的表面上生長有金屬納米顆粒，在所述光纖的兩端分別連接有用于連接外部部件的光纖接頭。

所述的光纖為多模光纖。

所述的光纖纖芯和光纖包層均是采用鹵化銀材料制作，通光性在波長為4um～18um的范圍。

所述的壓扁區域的光纖長度為5～10cm，厚度為50～450um。

所述的金屬納米顆粒為貴金屬或者過渡金屬。

所述金屬納米顆粒的形狀為橢球形或棒狀，長度為20～100nm。

金屬納米顆粒是通過蒸鍍法、化學溶液法或者濺射法均勻的生長在壓扁區域中的光纖表面上。

所述的壓扁區域部分的光纖是只由光纖纖芯構成的光纖，或是由光纖纖芯和包裹在光纖纖芯外周的光纖包層構成的光纖。

是在以二氧化碳為激光光源的雙光路光學系統中進行性能測試和評估。

所述的激光光源能夠輸出葡萄糖兩個強吸收峰附近的1081、1076、1051、1041和1037cm^-1五條譜線作為傳感器的工作波長。