现代医学面临的最大挑战之一是开发具有成本效益的技术，能够及时准确地诊断疾病，并且不受电磁干扰（EMI）的影响。无标记光学传感器为几乎任何环境（包括EMI环境）中的生物化学传感提供了一种有前景的方法。折射率（RI）传感器在无标记光学生物传感中具有重要意义。具有微米级腰径的锥形光纤（TOF）RI传感器可以通过在长距离上减少模体积而显著提高传感器的灵敏度。
据麦姆斯咨询报道，近日，美国欧道明大学（Old Dominion University）的研究人员在Scientific Reports期刊上发表了题为“Ultrasensitive tapered optical fiber refractive index glucose sensor”的论文，提出了一种基于局部表面等离子体共振（LSPR）的高灵敏度折射率传感器的制备方法。研究人员制备了两个腰径分别为5 µm和12 µm的TOF RI传感器（腰长l = 5 mm）。腰径是提高TOF灵敏度的关键。与TOF（Ø = 12 µm）相比，TOF（Ø = 5 µm）显著提高了传感器的葡萄糖传感能力。金纳米颗粒（AuNPs）修饰的TOF（Ø = 12 µm）对葡萄糖的灵敏度高达2032%/RIU。经AuNPs修饰的TOF传感器的灵敏度比TOF（Ø = 12µm）提高了近4倍，RI范围为1.328至1.393。所制备的TOF能够实现具有良好稳定性和快速响应的超灵敏葡萄糖检测，这可能会推动下一代超灵敏生物传感器的实际应用，例如疾病诊断。
葡萄糖传感的实验装置如下图所示。TOF传感区域完全浸没在目标分析物中。输入光经过光学衰减器和偏振控制器传播以通过TOF，随后将输出光耦合到光学光谱分析仪。TOF包括一个过渡区域，其具有平滑的线性锥形轮廓和较小的均匀腰径（Ø = 5 µm或Ø = 12 µm）。
葡萄糖传感实验装置
研究人员证明了TOF作为RI传感器用于检测各种葡萄糖浓度的能力。当葡萄糖浓度从5 wt%增加到45 wt%时，传感器的功率输出强度随之下降。此外，裸TOF的灵敏度与其直径高度相关，并且对光偏振不敏感，这对于现实应用是理想的。裸TOF（Ø = 5 µm）传感器表现出比裸TOF（Ø = 12µm）更好的传感能力。
裸TOF传感器在不同质量分数葡萄糖溶液中的测量光谱
腰径越大的TOF可靠性越好，但灵敏度越低。因此，为了提高灵敏度，在光纤腰部表面涂覆AuNPs。在用AuNPs修饰TOF（Ø = 12µm）后，尽管线性RI范围略有下降，但传感器的灵敏度提高了约4倍。在1.328-1.379的RI范围内，灵敏度为2032%/RIU。TOF的腰径越小，传感器对生化环境的变化越敏感。由于AuNPs具有较高的表面体积比，能够用于生物分子吸附，并产生局部表面等离子体共振，因此在TOF表面修饰AuNPs可提高灵敏度。
AuNPs修饰的TOF（Ø = 12µm）传感器在不同质量分数的葡萄糖溶液中的测量光谱
总之，研究人员制备了两个腰径分别为5 µm和12 µm的TOF（l = 5 mm），在λ = 1559 nm下其灵敏度显著增强，可用于室温下的葡萄糖传感（5-45 wt%）。由于倏逝场中传播的光与葡萄糖分子的相互作用，光输出功率随着葡萄糖浓度的增加而降低。在TOF表面涂覆AuNPs作为葡萄糖传感的活性层，通过倏逝波与沉积在锥形腰部的AuNPs的相互作用产生LSPR。与TOF（Ø = 12 µm）的灵敏度（560%/RIU）相比，TOF（Ø = 5 µm）对葡萄糖的灵敏度显著提高，达1265%/RIU。经AuNPs修饰的TOF传感器的灵敏度比TOF（Ø = 12 µm）提高了近4倍，且RI范围为1.328至1.393。TOF（Ø = 12 µm）制备方法简单、稳定、重复性好，并且可以很容易地用纳米材料进行修饰以提高传感能力。然而，微米级锥形光纤传感器非常脆弱，其机械强度还需要提高，以适应实际应用。未来的工作将探索封装TOF RI传感器的方法，用于检测生化过程中的生物识别信息。
论文信息：
https://www.nature.com/articles/s41598-023-31127-4
延伸阅读：
《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》
《可穿戴传感器技术及市场-2022版》
