基于银纳米颗粒增强的弯曲型光纤atr葡萄糖传感器的制造方法[0002]糖尿病是一种严重危害人类健康的慢性疾病，其危害程度仅次于肿瘤与心脑血管病。传统的利用生化分析来进行糖尿病检测的方法有创伤，测量速度较慢，试剂及相关耗材处理不当还可能会造成污染，而且不能实现连续测量。微创血糖浓度检测技术是一种测量组织液中葡萄糖浓度的连续血糖检测技术，具有无痛、可实现性更强和测量速度快等特点。当前微创血糖检测技术中，临床应用最广泛的是将酶电极植入皮下的酶电极植入式葡萄糖传感器。[0003]目前，多个研究机构和公司在进行基于微型酶电极的植入式葡萄糖传感器研究，其中SEVEN? Plus (DexCom, Inc.Paradigm? REAL-Time (Medtronic, Inc.)和 FreeStyleNavigator? (Abbott Laboratories)三款产品已获得FDA认证，并已经实现商业化。酶电极植入式葡萄糖传感器的基本原理是将带有酶电极的微葡萄糖传感器植入皮下，通过测量组织液中葡萄糖与酶反应的电流来反映组织液中的葡萄糖浓度信息。因此这种传感器在检测时很容易受到人体生物电干扰，使得测量结果产生漂移，而且葡萄糖氧化酶与葡萄糖反应会将糖不可逆的消耗掉，在低血糖情况下测量结果不准确。尽管酶电极植入式葡萄糖传感器已经是商业化产品，但是只能作为糖尿病临床治疗的辅助手段。[0004]近些年来，基于 衰减全反射中红外光谱的光学测量方法逐渐成为研究热点。ATR传感器不仅对葡萄糖零消耗、具有高精度、受外界理化因素影响小，而且克服了传统酶电极传感器受生物电干扰的缺陷。ATR传感器主要分为棱镜型ATR传感器和光纤ATR传感器。由于植入皮下的葡萄糖传感器要求体积非常小，而棱镜ATR传感器体积一般较大，无法满足微量样品高精度检测的需求，所以开发和设计一种小体积、高灵敏度的ATR传感器是非常必要的。小体积的传感器适合植入，但是却降低了传感器的分辨率。提出改变光纤的结构和对光纤表面进行银纳米颗粒修饰来增加分辨率和提高测量灵敏度。弯曲型ATR传感器在较小的空间内增加了有效光程长，而对光纤表面进行纳米颗粒修饰可以使分子的红外光谱得到显著增强。[0005]近些年来，研究学者多是在平面基板上通过蒸镀、溅射等方法生长颗粒，在光纤圆周表面生长颗粒的报道很少。由于光纤表面非常小，因此现有的真空蒸镀、溅射的方法在光纤打环局部镀金颗粒比较困难。真空蒸镀、溅射的方法都需要在真空镀室中，并在300度左右的温度下进行。光纤不耐高温，温度太高容易融化。而且以上两种方法设备复杂，不易连续操作，成本昂贵。提出化学溶液法在光纤圆周表面生长银纳米颗粒，在碱性环境下使用葡萄糖作为还原剂，将光纤微溶在水溶液中的银离子还原成银原子并附着在光纤表面上。此化学溶液法生长颗粒具有良好的均匀性、较好的耐磨性、优良的耐腐蚀性，而且工艺简单，不需要高温，经济实惠。
[0006]本发明所要解决的技术问题是，提供一种通过光纤结构和光纤表面修饰两方面来增加传感器的测量灵敏度，并通过化学溶液法在光纤圆周面生长银纳米颗粒，使传感器可以植入到人体皮下，对血糖浓度实现在线、连续监测的基于银纳米颗粒增强的弯曲型光纤ATR葡萄糖传感器。[0007]本发明所采用的技术方案是:一种基于银纳米颗粒增强的弯曲型光纤ATR葡萄糖传感器，包括有由光纤纤芯和包裹在光纤纤芯外周的光纤包层构成的光纤，在所述光纤的两端分别连接有用于连接外部部件的光纤接头，在所述光纤的中部形成有一段弯曲的敏感区域，在位于敏感区域部分的光纤的外表面上生长银纳米颗粒。[0008]所述的光纤为多模光纤。
[0009]所述的光纤纤芯和光纤包层均是采用卤化银材料制作，通光性在波长为4um~18um的范围。
[0010]所述的位于敏感区域部分的光纤为U形结构，或为单环结构，或为双环以上结构。
[0011]所述的银纳米颗粒的粒径大小为20~lOOnm。
[0012]所述的银纳米颗粒是采用化学溶液法，将银纳米颗粒均匀的生长在位于敏感区域内的光纤的表面上。
[0013]是在以二氧化碳为激光光源的双光路光学系统中进行性能测试和评估。
[0014]所述的激光光源能够输出葡萄糖两个强吸收峰附近的1081、1076、1051、1041和1037cm-1五条谱线作为传感器的工作波长。
[0015]本发明的基于银纳米颗粒增强的弯曲型光纤ATR葡萄糖传感器，结构简单，体积小，易于加工，操作简单、成本低。本发明的传感器可以植入到人体皮下，对血糖浓度实现在线、连续监测，实现在体直接测量，能够满足实时、连续监测血糖浓度，具有很好的临床应用前景。本发明具有如下特点:
[0016]1、本发明的传感器结构采用环形设计，结构多种多样，在有限的空间内增加了 ATR传感器的工作长度，提高了测量分辨率。
[0017]2、本发明中的化学溶液法工艺简单、无需高温、经济实惠，可实现大面积生长纳米银颗粒，而且所得的银纳米颗粒具有较好的耐磨性和优良的耐腐蚀性。
[0018]3、本发明的传感器的性能测试使用双光路结构，包括测量光路和参考光路。参考光路的引入消除了光源功率波动引起的测量误差，并且提高了系统的稳定性和分辨率。
[0019]4、本发明的传感器能够植入到人体皮下进行葡萄糖浓度的实时、连续地检测。



[0020]图1是本发明的基于银纳米颗粒增强的弯曲型光纤ATR葡萄糖传感器的结构示意图；
[0021]图2a是敏感区域部分的光纤为U形结构的光纤整体示意图；
[0022]图2b是敏感区域部分的光纤为单环结构的光纤整体示意图；
[0023]图2c是敏感区域部分的光纤为双环结构的光纤整体示意图；
[0024]图3a是敏感区域部分为U形结构的光纤ATR葡萄糖传感器整体示意图；[0025]图3b是敏感区域部分为单环结构的光纤ATR葡萄糖传感器整体示意图；
[0026]图3c是敏感区域部分为双环结构的光纤ATR葡萄糖传感器整体示意图；
[0027]图4是利用ATR原理折射率测量时光线在光纤ATR葡萄糖传感器中的传播示意图；
[0028]图5是利用银纳米颗粒修饰的增强原理示意图；
[0029]图6是采用本发明的光纤ATR葡萄糖传感器的测量系统示意图。
[0030]图中[0031]1:光纤纤芯2:光纤接头
[0032]3:光纤包层4:敏感区域
[0033]5:银纳米颗粒6:U形结构
[0034]7:单环结构8:双环结构
[0035]9:入射光线10:直部光纤入射角
[0036]11:葡萄糖溶液12:交点到包层内部的距离
[0037]13:纤芯直径14:弯部纤芯上界面入射角入射角
[0038]15:电场线16:横轴
[0039]17:纵轴18:激光光源
[0040]19:衰减器20:分光镜
[0041]21:光纤耦合装置22:光纤ATR传感器
[0042]23:样品池24:测量光路探测器
[0043]25:参考光路探测器26:测量光路锁相放大器
[0044]27:参考光路锁相放大器28:数据采集系统
[0045]29:计算机

[0046]下面结合实施例和附图对本发明的基于银纳米颗粒增强的弯曲型光纤ATR葡萄糖传感器做出详细说明。
[0047]如图1、图2、图3所示，本发明的基于银纳米颗粒增强的弯曲型光纤ATR葡萄糖传感器，包括有由光纤纤芯I和包裹在光纤纤芯I外周的光纤包层3构成的光纤，所述的光纤纤芯I和光纤包层3均是采用卤化银材料制作，通光性在波长为4um~ISum的范围。即在波长4um~18um范围内有很好的通光性,柔韧度高,无毒。所述的光纤为多模光纤。在所述光纤的两端分别连接有用于连接外部部件的光纤接头2，在所述光纤的中部形成有一段弯曲的敏感区域4。所述的位于敏感区域4部分的光纤结构可以结构灵活多变，如图2a所示可以是U形结构6，或如图2b所示为单环结构7，或如图2c所示为双环结构8，也可是多环。且所述敏感区域4的光纤的弯曲半径可为2.5_。将光纤弯曲成各种环形结构可以在小体积空间内增加有效光程长，提高传感器的灵敏度。
[0048]在位于敏感区域4部分的光纤的外表面上生长有银纳米颗粒5，传感器经过银纳米颗粒的修饰，灵敏度增强。所述的银纳米颗粒5的粒径大小为60~lOOnm。所述的银纳米颗粒5是采用化学溶液法，将银纳米颗粒均匀的生长在位于敏感区域4内的光纤的外表面上。[0049]所述的化学溶液法的实验原理如下列方程式:
[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]光纤的材料为氯化银和溴化银，在氢氧化钠存在的情况下，还原剂葡萄糖的还原性大大增强，将光纤中溶于溶液中少量的银离子还原成银纳米颗粒，并附在光纤的圆周表面上，如图3所示。通过改变葡萄糖的浓度和反应时间，可以控制银纳米颗粒的大小及分布，进而起到不同的增强作用。
[0053]本发明的基于银纳米颗粒增强的弯曲型光纤ATR葡萄糖传感器，测量溶液中葡萄糖浓度方法如下:
[0054]如图4所示，以敏感区域4为U形结构的光纤为例，给出光线进入光纤ATR传感器中测量折射率的示意图，波长为λ的入射光线9进入传感器直部纤芯部分，直部纤芯入射角10为Θ，设叫为光纤纤芯折射率，ncl为光纤包层折射率。由于光纤包层折射率小于纤芯折射率，当入射角10大于临界角时，根据全反射知识，直部纤芯与直部纤芯包层界面发生全反射，光纤无损耗传输。
[0055]当光线传播到光纤弯部，入射角发生变化。光从纤芯中泄露到包层中，包层与葡萄糖溶液11的界面发生全反射。由于入射界面对于入射光线是凸起的，全反射时没有功率损
失，所以只计算弯曲光纤纤芯上界面的有效吸收系数f&fo，约)。
[0056]