微尺度光纤探针及葡萄糖含量的检测方法、装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及生化传感技术领域，具体涉及一种微尺度光纤探针、葡萄糖含量的检 测方法、装置。
【背景技术】
[0002] 在日常生活中，获取葡萄糖的含量信息具有重要的意义。血糖是提供人体能量的 主要物质，对于人体血糖浓度的检测，在生物医疗方面的临床检测中就显得至关重要，因为 血糖的偏高和偏低都反应出人体代谢方面出现了问题。在临床治疗中，葡萄糖溶液作为注 射疗法经常使用，为进食困难的病人直接提供给养和能量。在工业应用中，葡萄糖又作为还 原剂大量使用。因此，对于葡萄糖的检测是一项具有现实应用意义的技术。
[0003] 目前光纤传感器在生物化学方面的应用得到了很大的发展。但实现方法多集中于 应用特种光栅技术。如2012年，SaurabhManiTripathia采用长周期光纤光栅被用来进行 大肠杆菌的传感测量；AkashDeep也采用长周期光纤光栅用来进行葡萄糖的传感。这两篇 文章中都是将光纤光栅表面修饰后，固定特殊的抗体来实现对目标的选择性探测。2014年 BinbinLuo采用同样方法，对大角度的倾斜光栅进行表面修饰后，固定上葡萄糖氧化酶，通 过测共振波长漂移的方法实现了对葡萄糖浓度范围为0~3mg/mL的探测，灵敏度能够达到 0. 298nm_ (mg/mir1。但是使用特种光栅技术实现生化传感的方式，尺寸大，灵敏度过低，对 于用来检测的仪器的分辨率的要求就要很高，使得该项技术的使用成本也较高，另外光栅 长期使用下的可靠性也存在问题。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是：针对现有的光纤传感的方式探测葡萄糖含量技术 存在的问题，提供一种微尺度光纤探针、基于微尺度光纤探针的葡萄糖含量的检测方法和 装置。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明解决其技术问题采用以下技术方案：
[0006] 本发明提供一种微尺度光纤探针，所述微尺度光纤探针为一段直径为微米级的微 纳光纤，所述微纳光纤表面修饰有葡萄糖氧化酶（GOD)，用于测量葡萄糖溶液中葡萄糖的含 量。
[0007] 所述微尺度光纤探针的制备方法，包括以下步骤：
[0008] 取一根直径为微米级的微纳光纤，激活所述微纳光纤表面的氢氧基；
[0009] 将所述微纳光纤浸入浓度为8-12mg/mL的葡萄糖氧化酶的醋酸钠混合溶液中，进 行1. 8-2. 2小时的孵化；
[0010] 然后用醋酸钠缓冲液清洗；
[0011] 再采用去离子水清洗；
[0012] 干燥。
[0013] 进一步的，所述激活微纳光纤表面的氢氧基，具体步骤为：
[0014] 将所述微纳光纤浸入浓度为95%的H2SOj^ H 202溶液中0. 8-1. 2个小时。
[0015] 所述微纳光纤浸入葡萄糖氧化酶的醋酸钠混合溶液中孵化之前，将所述微纳光纤 浸入质量比为8%-12%的硅烷偶联剂酒精溶液35-45分钟，然后用去离子水和酒精清洗干 净，以去除未附着在光纤表面的混合物。
[0016] 本发明提出了基于微尺度光纤探针的葡萄糖浓度的检测方法，包括以下步骤：
[0017] 将微尺度光纤探针置于待测葡萄糖溶液中，
[0018] 宽谱光源发出的光波，通过第一光纤耦合器分别耦合进入参考臂和传感臂，其中 参考臂由光衰减器和光延迟线构成，传感臂由微尺度光纤探针构成，两臂中传输的光波到 达第二光纤耦合器汇合之后进入光谱分析仪，光谱分析仪上显示出干涉光谱；测量干涉光 谱的变化，经过信号解调后，获得待测葡萄糖溶液中的葡萄糖含量。
[0019] 所述信号解调包括以下步骤：
[0020] 寻找所述干涉光谱上的特定级次波谷，用极值法找到该波谷的最低点，
[0021] 在最低点附近选取一段光谱再进行高斯拟合，获得波谷的中心波长，
[0022] 然后以葡萄糖的浓度为横轴，波谷在光谱上的位置为纵轴，画出散点图做线性拟 合，获得光谱漂移随葡萄糖浓度变化的曲线，曲线的斜率就为灵敏度；将所述干涉光谱与 葡萄糖浓度为0时的干涉光谱作对比，获得特定级次波谷的中心波长在光谱上位置的漂移 量，所述漂移量与所述灵敏度的乘积即被测的葡萄糖溶液的浓度。
[0023] 本发明同时还提供了一种基于微尺度光纤探针的葡萄糖浓度的检测装置，包括宽 谱光源，第一光纤耦合器，第二光纤耦合器，光衰减器，光延迟线，所述微尺度光纤探针，光 谱分析仪，所述第一光纤耦合器通过光路分别连接参考臂和传感臂，所述参考臂由所述光 衰减器、光延迟线构成，所述传感臂由所述微尺度光纤探针构成，两臂中传输的光波到达 第二光纤耦合器汇合之后进入所述光谱分析仪。
[0024] 作为另一优选方案，基于微尺度光纤探针的葡萄糖浓度的检测方法，包括以下步 骤：
[0025] 将多模的所述微尺度光纤探针置于待测葡萄糖溶液中，
[0026] 宽谱光源发出光波直接耦合进入所述多模的微尺度光纤探针，所述多模的微尺度 光纤探针的另一端接入光谱分析仪，光谱分析仪上会显示出干涉光谱；测量干涉光谱的变 化，经过信号解调后，获得待测葡萄糖溶液中的葡萄糖含量。
[0027] 所述信号解调包括以下步骤：
[0028] 寻找所述干涉光谱上的特定级次波谷，用极值法找到该波谷的最低点，
[0029] 在最低点附近选取一段光谱再进行高斯拟合，获得波谷的中心波长，
[0030] 然后以葡萄糖的浓度为横轴，波谷在光谱上的位置为纵轴，画出散点图做线性拟 合，获得光谱漂移随葡萄糖浓度变化的曲线，曲线的斜率就为灵敏度；将所述干涉光谱与 葡萄糖浓度为〇时的干涉光谱作对比，获得特定级次波谷的中心波长在光谱上位置的漂移 量，所述漂移量与所述灵敏度的乘积即被测的葡萄糖溶液的浓度。
[0031] 相对应于上述基于微尺度光纤探针的葡萄糖浓度的检测方法的装置，包括宽谱光 源，多模的所述微尺度光纤探针，光谱分析仪，依次连接光路。在该装置中，表面修饰了葡萄 糖氧化酶的多模微纳光纤伸入装了特定浓度葡萄糖溶液的容器中，测量干涉光谱，与葡萄 糖浓度为〇时的干涉光谱作对比，计算出光谱漂移，乘以传感灵敏度，计算出葡萄糖溶液的 浓度。
[0032] 本发明的检测方法原理如下：光波在微纳光纤中传输时，在光纤外部存在倏逝波 并沿光纤轴向传输，倏逝波与微纳光纤外部的环境相互作用。葡萄糖在微纳光纤表面修饰 的葡萄糖氧化酶（GOD)的催化作用下，转化成葡萄糖酸，葡萄糖酸引起环境折射率改变，使 得倏逝波在该区域传输时产生相位调制，从而导致微纳光纤等效光程的变化。通过光纤干 涉仪的方法测量因葡萄糖浓度变化带来的光程的变化信息，即可测得葡萄糖的含量。
[0033] 本发明与现有技术相比，具有以下主要优点：
[0034] 其一采用微纳光纤作为传感载体，制作简单，灵敏度高。
[0035] 其二对微纳光纤进行了表面修饰，实现了葡萄糖的选择性探测，准确度高。
[0036] 其三采用了基于MZI的干涉结构，传感装置的结构极其简单，并且进一步提升了 传感的灵敏度。
[0037] 本传感装置可以广泛的应用于生物医疗生产，临床治疗时的葡萄糖检测。
【附图说明】
[0038] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明的技术方案作进一步具体说明。
[0039] 图1为【具体实施方式】的微纳光纤探针制作流程图。
[0040]图2是本发明的双臂微尺度光纤马赫一曾德尔（MZI)干涉传感结构的示意图。
[0041] 图2中：1一宽谱光源；2-第一光纤耦合器（1X2) ;3-光衰减器；4一光延迟线； 5-第二光纤耦合器（1X2) ;6-光谱分析仪；7-微尺度光纤探针；8-葡萄糖溶液容器。
[0042] 图3是本发明的单根多模微尺度光纤在线马赫一曾德尔（MZI)干涉结构示意图。
[0043] 图3中：9-宽谱光源；10-多模的微尺度光纤探针；11-葡萄糖溶液容器； 12-光谱分析仪。
[0044] 图4是本发明的信号解调技术的数据处理流程图。
[0045] 图5是本发明的光谱数据示意图。
【具体实施方式】
[0046] 本发明提供了一种基于微尺度光纤探针的葡萄糖含量检测技术，采用经过葡萄糖 氧化酶（GOD)表面修饰的微纳光纤为探针，实现葡萄糖含量测量。其工作原理如下：光波在 微纳光纤中传输时，在光纤外部存在倏逝波并沿光纤轴向传输，倏逝波与微纳光纤外部的 环境相互作用。葡萄糖在微纳光纤表面修饰的葡萄糖氧化酶（GOD)的催化作用下，转化成 葡萄糖酸，葡萄糖酸引起环境折射率改变，使得倏逝波在该区域传输时产生相位调制，从而 导致微纳光纤等效光程的变化。通过光纤干涉仪的方法测量因葡萄糖浓度变化带来的光程 的变化信息，即可测得葡萄糖的含量。
[0047] 如图1所示，本发明提供一种微尺度光纤探针的制作方法，其具体制备过程为：
[0048] 1)将标准单模光纤中部，采用氢氧焰加热的方法，拉伸至微米尺度直径，得到一根 微纳光纤；
[0049] 2)将微纳光纤浸入浓度为5%的HNO3溶液中浸泡，以去除微纳光纤表面的污染 物，然后用去离子水和酒精清洗干净；
[0050] 3)将微纳光纤浸入浓度为95%的H2SO^ H 202溶液中0. 8-1. 2个小时，以激活光 纤表面的氢氧基，然后用去离子水和酒精清洗干净；
[0051] 4)将微纳光纤放在空气中干燥；
[0052] 5)将微纳光纤浸入体积比为8 % -12 %的APTES (硅烷偶联剂）的酒精溶液30-50 分钟，然后用去离子水和酒精清洗干净，以去除未附着在光纤表面的混合物；
[0053] 6)将微纳光纤浸入浓度为8-12mg/mL的葡萄糖氧化酶的醋酸钠混合溶液，进行 1. 8-2. 2小时的孵化，然后用醋酸钠缓冲液清洗，再采用去离子水清洗，然后放在空气中干