現(xiàn)代醫(yī)學(xué)面臨的最大挑戰(zhàn)之一是開發(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）傳感器在無標(biāo)記光學(xué)生物傳感中具有重要意義。具有微米級腰徑的錐形光纖（TOF）RI傳感器可以通過在長距離上減少模體積而顯著提高傳感器的靈敏度。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，美國歐道明大學(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，這可能會推動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)域完全浸沒在目標(biāo)分析物中。輸入光經(jīng)過光學(xué)衰減器和偏振控制器傳播以通過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)，并且對光偏振不敏感，這對于現(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。未來的工作將探索封裝TOF RI傳感器的方法，用于檢測生化過程中的生物識別信息。

審核編輯：劉清