Блог

Jul 10, 2023

Сверхчувствительный датчик показателя преломления глюкозы с коническим оптическим волокном

Научные отчеты, том 13,

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 4495 (2023) Цитировать эту статью

1357 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Датчики показателя преломления (RI) представляют большой интерес для безметочного оптического биосенсорства. Датчик RI с коническим оптическим волокном (TOF) с диаметром перемычки микронного размера может значительно повысить чувствительность датчика за счет уменьшения объема моды на большом расстоянии. Здесь используется простой и быстрый метод изготовления высокочувствительных датчиков показателя преломления на основе локализованного поверхностного плазмонного резонанса (LSPR). Два TOF (l = 5 мм) с диаметром перетяжки 5 мкм и 12 мкм продемонстрировали повышение чувствительности при λ = 1559 нм для определения глюкозы (5–45 мас.%) при комнатной температуре. Пропускание оптической мощности уменьшалось с увеличением концентрации глюкозы из-за взаимодействия распространяющегося света в затухающем поле с молекулами глюкозы. Покрытие TOF наночастицами золота (AuNP) в качестве активного слоя для определения глюкозы генерировало LSPR за счет взаимодействия затухающей волны с AuNP, нанесенными на сужающуюся перетяжку. Результаты показали, что TOF (Ø = 5 мкм) продемонстрировал улучшенные характеристики восприятия с чувствительностью 1265%/RIU по сравнению с TOF (Ø = 12 мкм) при 560%/RIU по отношению к глюкозе. AuNP были охарактеризованы с помощью сканирующей электронной микроскопии и ультрафиолетово-видимой спектроскопии. TOF, украшенный AuNP (Ø = 12 мкм), продемонстрировал высокую чувствительность 2032%/RIU к глюкозе. Датчик TOF, украшенный AuNP, продемонстрировал повышение чувствительности почти в 4 раза по сравнению с TOF (Ø = 12 мкм) с RI в диапазоне от 1,328 до 1,393. Изготовленный TOF позволил обеспечить сверхчувствительное обнаружение глюкозы с хорошей стабильностью и быстрым откликом, что может привести к созданию сверхчувствительных биосенсоров следующего поколения для реальных приложений, таких как диагностика заболеваний.

Одной из самых больших задач современной медицины является разработка экономически эффективных технологий, которые могут своевременно и точно диагностировать заболевание и не подвергаться воздействию электромагнитных помех (ЭМП). Оптический датчик без меток предлагает многообещающий подход к биохимическому зондированию практически в любой среде, в том числе с электромагнитными помехами1,2,3. Большинство событий связывания, таких как гибридизация ДНК, распознавание антитело-антиген, химические реакции и изменения концентрации, обычно приводят к изменениям в окружающей среде оптического датчика и, как известно, изменяют показатель преломления сенсорной среды (RI). Более того, это изменение RI может количественно отражать обнаруживающую способность биосенсоров. Следовательно, измерение небольших изменений RI, которые могут возникнуть в результате биохимического процесса, имеет решающее значение для обнаружения биомаркеров4,5. Датчики RI на основе оптоволокна характеризуются отсутствием маркировки и различными конфигурациями. Наиболее распространенными волоконными датчиками RI являются структуры брэгговских решеток (ВБР)6, длиннопериодные решетки (LPG), образующие интерферометр Маха-Цендера7, микроинтерферометры на основе химического травления8, а также микроструктурированные волокна9 и конусное оптическое волокно10.

Материалом оптического волокна обычно является кремнезем, который нетоксичен, экологичен и гораздо более устойчив к коррозии, чем большинство материалов, что делает его хорошим кандидатом для измерения в суровых условиях окружающей среды. Оптические волокна обеспечивают превосходную универсальность восприятия, поскольку их можно декорировать различными материалами (полимерами, наноматериалами и т. д.) или просто изменить конфигурацию волокна (интерферометр, оптрод, режим шепчущей галереи и т. д.). В последнее время конические оптические волокна (TOF) привлекли значительное внимание благодаря простоте изготовления и улучшенным оптическим свойствам11,12,13. TOF обеспечивает удивительно высокую оптическую интенсивность на большом расстоянии: от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров. Большая длина взаимодействия и высокая интенсивность TOF могут улучшить взаимодействие света и материи, тем самым увеличивая чувствительность датчика. Хотя существуют различные подходы к изготовлению TOF, как показано в Таблице 1, наиболее часто используется метод газопламенной обработки, при котором одномодовое или многомодовое стеклянное оптическое волокно со снятой оболочкой нагревается в центре волокна с одновременным растяжением волокна. на обоих концах, чтобы создать симметричную «талию» волокна10. Это наиболее простой и недорогой подход к изготовлению TOF.