基于銀納米顆粒增強(qiáng)的彎曲型光纖atr葡萄糖傳感器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】一種基于銀納米顆粒增強(qiáng)的彎曲型光纖ATR葡萄糖傳感器，有由光纖纖芯和包裹在光纖纖芯外周的光纖包層構(gòu)成的光纖，在光纖的兩端分別連接有用于連接外部部件的光纖接頭，在光纖的中部形成有一段彎曲的敏感區(qū)域，在位于敏感區(qū)域部分的光纖的外表面上生長(zhǎng)銀納米顆粒。光纖為多模光纖。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(zhǎng)為4um～18um的范圍。位于敏感區(qū)域部分的光纖為U形結(jié)構(gòu)，或?yàn)閱苇h(huán)結(jié)構(gòu)，或?yàn)殡p環(huán)以上結(jié)構(gòu)。銀納米顆粒的粒徑大小為20～100nm。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，易于加工，操作簡(jiǎn)單、成本低，可以植入到人體皮下，對(duì)血糖濃度實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)、連續(xù)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)在體直接測(cè)量，能夠滿(mǎn)足實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測(cè)血糖濃度。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于銀納米顆粒增強(qiáng)的彎曲型光纖ATR葡萄糖傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種葡萄糖傳感器。特別是涉及一種基于銀納米顆粒增強(qiáng)的彎曲型光纖ATR葡萄糖傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]糖尿病是一種嚴(yán)重危害人類(lèi)健康的慢性疾病，其危害程度僅次于腫瘤與心腦血管病。傳統(tǒng)的利用生化分析來(lái)進(jìn)行糖尿病檢測(cè)的方法有創(chuàng)傷，測(cè)量速度較慢，試劑及相關(guān)耗材處理不當(dāng)還可能會(huì)造成污染，而且不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量。微創(chuàng)血糖濃度檢測(cè)技術(shù)是一種測(cè)量組織液中葡萄糖濃度的連續(xù)血糖檢測(cè)技術(shù)，具有無(wú)痛、可實(shí)現(xiàn)性更強(qiáng)和測(cè)量速度快等特點(diǎn)。當(dāng)前微創(chuàng)血糖檢測(cè)技術(shù)中，臨床應(yīng)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。
[0003]目前，多個(gè)研究機(jī)構(gòu)和公司在進(jìn)行基于微型酶電極的植入式葡萄糖傳感器研究，其中SEVEN? Plus (DexCom, Inc.Paradigm? REAL-Time (Medtronic, Inc.)和 FreeStyleNavigator? (Abbott Laboratories)三款產(chǎn)品已獲得FDA認(rèn)證，并已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。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(guò)測(cè)量組織液中葡萄糖與酶反應(yīng)的電流來(lái)反映組織液中的葡萄糖濃度信息。因此這種傳感器在檢測(cè)時(shí)很容易受到人體生物電干擾，使得測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生漂移，而且葡萄糖氧化酶與葡萄糖反應(yīng)會(huì)將糖不可逆的消耗掉，在低血糖情況下測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。盡管酶電極植入式葡萄糖傳感器已經(jīng)是商業(yè)化產(chǎn)品，但是只能作為糖尿病臨床治療的輔助手段。
[0004]近些年來(lái)，基于 衰減全反射中紅外光譜的光學(xué)測(cè)量方法逐漸成為研究熱點(diǎn)。ATR傳感器不僅對(duì)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(tǒng)酶電極傳感器受生物電干擾的缺陷。ATR傳感器主要分為棱鏡型ATR傳感器和光纖ATR傳感器。由于植入皮下的葡萄糖傳感器要求體積非常小，而棱鏡ATR傳感器體積一般較大，無(wú)法滿(mǎn)足微量樣品高精度檢測(cè)的需求，所以開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)一種小體積、高靈敏度的ATR傳感器是非常必要的。小體積的傳感器適合植入，但是卻降低了傳感器的分辨率。提出改變光纖的結(jié)構(gòu)和對(duì)光纖表面進(jìn)行銀納米顆粒修飾來(lái)增加分辨率和提高測(cè)量靈敏度。彎曲型ATR傳感器在較小的空間內(nèi)增加了有效光程長(zhǎng)，而對(duì)光纖表面進(jìn)行納米顆粒修飾可以使分子的紅外光譜得到顯著增強(qiáng)。
[0005]近些年來(lái)，研究學(xué)者多是在平面基板上通過(guò)蒸鍍、濺射等方法生長(zhǎng)顆粒，在光纖圓周表面生長(zhǎng)顆粒的報(bào)道很少。由于光纖表面非常小，因此現(xiàn)有的真空蒸鍍、濺射的方法在光纖打環(huán)局部鍍金顆粒比較困難。真空蒸鍍、濺射的方法都需要在真空鍍室中，并在300度左右的溫度下進(jìn)行。光纖不耐高溫，溫度太高容易融化。而且以上兩種方法設(shè)備復(fù)雜，不易連續(xù)操作，成本昂貴。提出化學(xué)溶液法在光纖圓周表面生長(zhǎng)銀納米顆粒，在堿性環(huán)境下使用葡萄糖作為還原劑，將光纖微溶在水溶液中的銀離子還原成銀原子并附著在光纖表面上。此化學(xué)溶液法生長(zhǎng)顆粒具有良好的均勻性、較好的耐磨性、優(yōu)良的耐腐蝕性，而且工藝簡(jiǎn)單，不需要高溫，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種通過(guò)光纖結(jié)構(gòu)和光纖表面修飾兩方面來(lái)增加傳感器的測(cè)量靈敏度，并通過(guò)化學(xué)溶液法在光纖圓周面生長(zhǎng)銀納米顆粒，使傳感器可以植入到人體皮下，對(duì)血糖濃度實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)、連續(xù)監(jiān)測(cè)的基于銀納米顆粒增強(qiáng)的彎曲型光纖ATR葡萄糖傳感器。
[0007]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種基于銀納米顆粒增強(qiáng)的彎曲型光纖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(gòu)成的光纖，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，在所述光纖的中部形成有一段彎曲的敏感區(qū)域，在位于敏感區(qū)域部分的光纖的外表面上生長(zhǎng)銀納米顆粒。
[0008]所述的光纖為多模光纖。
[0009]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(zhǎng)為4um~18um的范圍。
[0010]所述的位于敏感區(qū)域部分的光纖為U形結(jié)構(gòu)，或?yàn)閱苇h(huán)結(jié)構(gòu)，或?yàn)殡p環(huán)以上結(jié)構(gòu)。
[0011]所述的銀納米顆粒的粒徑大小為20~lOOnm。
[0012]所述的銀納米顆粒是采用化學(xué)溶液法，將銀納米顆粒均勻的生長(zhǎng)在位于敏感區(qū)域內(nèi)的光纖的表面上。
[0013]是在以二氧化碳為激光光源的雙光路光學(xué)系統(tǒng)中進(jìn)行性能測(cè)試和評(píng)估。
[0014]所述的激光光源能夠輸出葡萄糖兩個(gè)強(qiáng)吸收峰附近的1081、1076、1051、1041和1037cm-1五條譜線(xiàn)作為傳感器的工作波長(zhǎng)。
[0015]本發(fā)明的基于銀納米顆粒增強(qiáng)的彎曲型光纖ATR葡萄糖傳感器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，易于加工，操作簡(jiǎn)單、成本低。本發(fā)明的傳感器可以植入到人體皮下，對(duì)血糖濃度實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)、連續(xù)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)在體直接測(cè)量，能夠滿(mǎn)足實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測(cè)血糖濃度，具有很好的臨床應(yīng)用前景。本發(fā)明具有如下特點(diǎn):
[0016]1、本發(fā)明的傳感器結(jié)構(gòu)采用環(huán)形設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)多種多樣，在有限的空間內(nèi)增加了 ATR傳感器的工作長(zhǎng)度，提高了測(cè)量分辨率。
[0017]2、本發(fā)明中的化學(xué)溶液法工藝簡(jiǎn)單、無(wú)需高溫、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，可實(shí)現(xiàn)大面積生長(zhǎng)納米銀顆粒，而且所得的銀納米顆粒具有較好的耐磨性和優(yōu)良的耐腐蝕性。
[0018]3、本發(fā)明的傳感器的性能測(cè)試使用雙光路結(jié)構(gòu)，包括測(cè)量光路和參考光路。參考光路的引入消除了光源功率波動(dòng)引起的測(cè)量誤差，并且提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和分辨率。
[0019]4、本發(fā)明的傳感器能夠植入到人體皮下進(jìn)行葡萄糖濃度的實(shí)時(shí)、連續(xù)地檢測(cè)。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1是本發(fā)明的基于銀納米顆粒增強(qiáng)的彎曲型光纖ATR葡萄糖傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2a是敏感區(qū)域部分的光纖為U形結(jié)構(gòu)的光纖整體示意圖；
[0022]圖2b是敏感區(qū)域部分的光纖為單環(huán)結(jié)構(gòu)的光纖整體示意圖；
[0023]圖2c是敏感區(qū)域部分的光纖為雙環(huán)結(jié)構(gòu)的光纖整體示意圖；
[0024]圖3a是敏感區(qū)域部分為U形結(jié)構(gòu)的光纖ATR葡萄糖傳感器整體示意圖；[0025]圖3b是敏感區(qū)域部分為單環(huán)結(jié)構(gòu)的光纖ATR葡萄糖傳感器整體示意圖；
[0026]圖3c是敏感區(qū)域部分為雙環(huán)結(jié)構(gòu)的光纖ATR葡萄糖傳感器整體示意圖；
[0027]圖4是利用ATR原理折射率測(cè)量時(shí)光線(xiàn)在光纖ATR葡萄糖傳感器中的傳播示意圖；
[0028]圖5是利用銀納米顆粒修飾的增強(qiáng)原理示意圖；
[0029]圖6是采用本發(fā)明的光纖ATR葡萄糖傳感器的測(cè)量系統(tǒng)示意圖。
[0030]圖中[0031]1:光纖纖芯2:光纖接頭
[0032]3:光纖包層4:敏感區(qū)域
[0033]5:銀納米顆粒6:U形結(jié)構(gòu)
[0034]7:單環(huán)結(jié)構(gòu)8:雙環(huán)結(jié)構(gòu)
[0035]9:入射光線(xiàn)10:直部光纖入射角
[0036]11:葡萄糖溶液12:交點(diǎn)到包層內(nèi)部的距離
[0037]13:纖芯直徑14:彎部纖芯上界面入射角入射角
[0038]15:電場(chǎng)線(xiàn)16:橫軸
[0039]17:縱軸18:激光光源
[0040]19:衰減器20:分光鏡
[0041]21:光纖耦合裝置22:光纖ATR傳感器
[0042]23:樣品池24:測(cè)量光路探測(cè)器
[0043]25:參考光路探測(cè)器26:測(cè)量光路鎖相放大器
[0044]27:參考光路鎖相放大器28:數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
[0045]29:計(jì)算機(jī)
【具體實(shí)施方式】
[0046]下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明的基于銀納米顆粒增強(qiáng)的彎曲型光纖ATR葡萄糖傳感器做出詳細(xì)說(shuō)明。
[0047]如圖1、圖2、圖3所示，本發(fā)明的基于銀納米顆粒增強(qiáng)的彎曲型光纖ATR葡萄糖傳感器，包括有由光纖纖芯I和包裹在光纖纖芯I外周的光纖包層3構(gòu)成的光纖，所述的光纖纖芯I和光纖包層3均是采用鹵化銀材料制作，通光性在波長(zhǎng)為4um~ISum的范圍。即在波長(zhǎng)4um~18um范圍內(nèi)有很好的通光性,柔韌度高,無(wú)毒。所述的光纖為多模光纖。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2，在所述光纖的中部形成有一段彎曲的敏感區(qū)域4。所述的位于敏感區(qū)域4部分的光纖結(jié)構(gòu)可以結(jié)構(gòu)靈活多變，如圖2a所示可以是U形結(jié)構(gòu)6，或如圖2b所示為單環(huán)結(jié)構(gòu)7，或如圖2c所示為雙環(huán)結(jié)構(gòu)8，也可是多環(huán)。且所述敏感區(qū)域4的光纖的彎曲半徑可為2.5_。將光纖彎曲成各種環(huán)形結(jié)構(gòu)可以在小體積空間內(nèi)增加有效光程長(zhǎng)，提高傳感器的靈敏度。
[0048]在位于敏感區(qū)域4部分的光纖的外表面上生長(zhǎng)有銀納米顆粒5，傳感器經(jīng)過(guò)銀納米顆粒的修飾，靈敏度增強(qiáng)。所述的銀納米顆粒5的粒徑大小為60~lOOnm。所述的銀納米顆粒5是采用化學(xué)溶液法，將銀納米顆粒均勻的生長(zhǎng)在位于敏感區(qū)域4內(nèi)的光纖的外表面上。[0049]所述的化學(xué)溶液法的實(shí)驗(yàn)原理如下列方程式:
[0050]Ag+Cr+CH20H (CHOH) 4CH0+Na0H — Ag+CH20H (CHOH) 4C00H+Na+Cr[0051 ] Ag+Br^CH2OH (CHOH) 4CH0+Na0H — Ag+CH20H (CHOH) 4C00H+Na+Br_
[0052]光纖的材料為氯化銀和溴化銀，在氫氧化鈉存在的情況下，還原劑葡萄糖的還原性大大增強(qiáng)，將光纖中溶于溶液中少量的銀離子還原成銀納米顆粒，并附在光纖的圓周表面上，如圖3所示。通過(guò)改變葡萄糖的濃度和反應(yīng)時(shí)間，可以控制銀納米顆粒的大小及分布，進(jìn)而起到不同的增強(qiáng)作用。
[0053]本發(fā)明的基于銀納米顆粒增強(qiáng)的彎曲型光纖ATR葡萄糖傳感器，測(cè)量溶液中葡萄糖濃度方法如下:
[0054]如圖4所示，以敏感區(qū)域4為U形結(jié)構(gòu)的光纖為例，給出光線(xiàn)進(jìn)入光纖ATR傳感器中測(cè)量折射率的示意圖，波長(zhǎng)為λ的入射光線(xiàn)9進(jìn)入傳感器直部纖芯部分，直部纖芯入射角10為Θ，設(shè)叫為光纖纖芯折射率，ncl為光纖包層折射率。由于光纖包層折射率小于纖芯折射率，當(dāng)入射角10大于臨界角時(shí)，根據(jù)全反射知識(shí)，直部纖芯與直部纖芯包層界面發(fā)生全反射，光纖無(wú)損耗傳輸。
[0055]當(dāng)光線(xiàn)傳播到光纖彎部，入射角發(fā)生變化。光從纖芯中泄露到包層中，包層與葡萄糖溶液11的界面發(fā)生全反射。由于入射界面對(duì)于入射光線(xiàn)是凸起的，全反射時(shí)沒(méi)有功率損
失，所以只計(jì)算彎曲光纖纖芯上界面的有效吸收系數(shù)f&fo，約)。
[0056]
【權(quán)利要求】
1.一種基于銀納米顆粒增強(qiáng)的彎曲型光纖ATR葡萄糖傳感器，包括有由光纖纖芯(1)和包裹在光纖纖芯(1)外周的光纖包層(3)構(gòu)成的光纖，其特征在于，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(2)，在所述光纖的中部形成有一段彎曲的敏感區(qū)域(4)，在位于敏感區(qū)域(4)部分的光纖的外表面上生長(zhǎng)銀納米顆粒(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于銀納米顆粒增強(qiáng)的彎曲型光纖ATR葡萄糖傳感器，其特征在于，所述的光纖為多模光纖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于銀納米顆粒增強(qiáng)的彎曲型光纖ATR葡萄糖傳感器，其特征在于，所述的光纖纖芯(1)和光纖包層(3)均是采用鹵化銀材料制作，通光性在波長(zhǎng)為4um~18um的范圍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于銀納米顆粒增強(qiáng)的彎曲型光纖ATR葡萄糖傳感器，其特征在于，所述的位于敏感區(qū)域(4)部分的光纖為U形結(jié)構(gòu)(6)，或?yàn)閱苇h(huán)結(jié)構(gòu)(7)，或?yàn)殡p環(huán)以上結(jié)構(gòu)(8)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于銀納米顆粒增強(qiáng)的彎曲型光纖ATR葡萄糖傳感器，其特征在于，所述的銀納米顆粒(5)的粒徑大小為20~lOOnm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于銀納米顆粒增強(qiáng)的彎曲型光纖ATR葡萄糖傳感器，其特征在于，所述的銀納米顆粒(5)是采用化學(xué)溶液法，將銀納米顆粒均勻的生長(zhǎng)在位于敏感區(qū)域(4)內(nèi)的光纖的表面上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于銀納米顆粒增強(qiáng)的彎曲型光纖ATR葡萄糖傳感器，其特征在于，是在以二氧化碳為激光光源的雙光路光學(xué)系統(tǒng)中進(jìn)行性能測(cè)試和評(píng)估。
8.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于銀納米顆粒增強(qiáng)的彎曲型光纖ATR葡萄糖傳感器，其特征在于，所述的激光光源能夠輸出葡萄糖兩個(gè)強(qiáng)吸收峰附近的1081、1076、1051、1041和1037cm-1五條譜線(xiàn)作為傳感器的工作波長(zhǎng)。
【文檔編號(hào)】A61B5/1459GK103919560SQ201410113437
【公開(kāi)日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年3月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月25日
【發(fā)明者】栗大超, 孫長(zhǎng)月, 王日東, 王東昂, 徐可欣 申請(qǐng)人:天津大學(xué)