自成像理论与氧化石墨烯涂层协同增强光学传感器灵敏度 | MDPI Sensors

在精准医疗与健康监测日益受到关注的今天，无创、连续、高灵敏度的生物传感技术成为科研界与产业界共同追求的目标。2024年1月30日，葡萄牙INESC TEC研究院的Cristina Cunha、Susana Novais及其团队在 Sensors 期刊上发表了一项创新研究，提出一种基于自成像理论与氧化石墨烯涂层的高灵敏度光学传感器，用于检测水溶液中模拟人体唾液的葡萄糖浓度。该传感器不仅在折射率检测中表现出高灵敏度，其葡萄糖浓度检测灵敏度更提升了8倍，为无创血糖监测提供了新的技术路径。

传感器结构示意图：SMF-CSF拼接结构

研究过程与结果

在众多生物医学检测指标中，葡萄糖浓度的监测至关重要。血糖水平的异常与糖尿病、低血糖症和高血糖症等多种病理状态直接相关。传统的血糖监测依赖于指尖采血，这种方法不仅带来疼痛，而且无法实现连续监测。近年来的研究表明，人体唾液中的葡萄糖浓度与血液中的浓度存在显著的相关性。因此，开发一种能够精确检测唾液中微量葡萄糖的无创传感器，成为了一个极具吸引力的研究方向，它有望极大地提升糖尿病患者的日常监测体验与依从性。

然而，唾液中葡萄糖浓度远低于血液，且成分复杂，这对传感器的灵敏度、选择性和稳定性都提出了极高的要求。正是为了应对这一挑战，作者提出了将经典光学理论与前沿纳米材料相结合的创新解决方案。

传感器核心原理：自成像理论

该传感器的设计核心是一段无芯硅纤维 (CSF)，它被精准地拼接在标准的单模光纤 (SMF) 末端。其工作原理可以分解为以下几个关键步骤：

(1) 模式激发与干涉：当光从导光模式单一的SMF进入CSF时，由于CSF没有芯层-包层结构对光的束缚，光场会迅速扩展，激发出大量具有不同传播常数的模式。

(2) 形成干涉图样：由于光传播过程中的相位差异，它们会相互干涉，形成明暗相间的复杂干涉图样。这个干涉图样对外界环境的折射率变化极其敏感。

(3) 自成像现象：一个尤为关键的现象是，光在CSF中传播时，会周期性地在特定位置重新汇聚，形成与输入端光场几乎完全一致的“复制品”，这些位置被称为自成像点。在处于自成像点时，光场能量最为集中，传输损耗最低。

自成像点位置的计算公式如下：

其中，p是自成像阶数 (1,2,3,4,…)，n_CSF和D_CSF分别是CSF的折射率和直径，是工作波长。

(4) 反射与检测：当光到达CSF的末端 (即与待测液体的界面) 时，一部分光会因折射率差异被反射回来；随后，再次经过干涉和自成像过程，最终被耦合回SMF，由光学频谱分析仪接收。外界折射率的变化会直接改变干涉条件，从而导致反射光谱的峰值波长发生变化。

研究团队通过理论计算，确定了前四个自成像点的位置 (如表1所示)。他们指出，偶数阶 (如p = 2, 4) 的自成像点能提供更优的耦合效率和更清晰的频谱响应。考虑到传感器结构的紧凑性与易用性，他们最终选择了第二自成像点 (p = 2，对应长度29.12毫米) 作为传感器的最佳工作长度。

表1. 不同自成像阶数对应的CSF理论长度

性能倍增的关键：氧化石墨烯涂层

氧化石墨烯作为一种二维材料，具有高比表面积、良好生物相容性、亲水性强等特性，能与葡萄糖分子发生强烈相互作用，从而增强传感器响应。

作者采用层层自组装 (LbL) 技术来沉积GO涂层。这是一种通过静电相互作用交替吸附带正电和负电的聚电解质，从而在基底上构建多层薄膜的方法。同时，作者深入探讨了涂层数量对传感器性能的影响。实验发现，当沉积一个PEI/GO双层时，传感器的反射光谱虽然发生红移 (表明有效折射率增加)，但仍能保持一个清晰、尖锐的干涉峰，这正是高质量自成像信号的体现。然而，当继续沉积第二个双层时，光学功率急剧下降，特征峰严重恶化。因此，研究最终确定采用单层PEI/GO (浓度80 μg/mL) 作为最优涂层方案。扫描电子显微镜的图像也直观地展示了涂层前后传感器表面的变化：从未涂层的平滑表面变为GO特有的褶皱纳米片结构，证明了GO的成功修饰。

SEM图像：(a,b) 未涂层的传感器表面；(c,d) 单层PEI/GO涂层后的褶皱表面

实验结果如下所示：

(1) 折射率灵敏度

作者将传感器置于一系列已知折射率的葡萄糖溶液中，其在折射率为1.3380–1.3853 RIU的范围内表现出线性响应，灵敏度达到200 ± 6 nm/RIU，优于同类传输型传感器。

(2) 葡萄糖浓度检测

作者在模拟人体唾液葡萄糖浓度的范围 (25至200 mg/dL) 内进行了测试。其中，未涂层传感器的灵敏度为1.31 ± 0.08 pm/(mg/dL)；而GO涂层传感器的灵敏度提升至10.403 ± 0.004 pm/(mg/dL)，提升约8倍。

(3) 稳定性与分辨率

作者将四个传感器同时浸入25 mg/dL的葡萄糖溶液中，进行实时监测。结果显示，波长变化的平均标准偏差低至 0.46 pm/min，表明传感器具有非常高的时间稳定性，能够提供可靠的连续监测数据。

因此，不难看出，与现有技术相比，本研究提出的传感器设计展现出多重优势：

(1) 反射式结构：与常见的传输式 (SMF-CSF-SMF) 结构相比，反射式设计使传感器长度减半，结构更紧凑。同时，它仅需微量样品，更易于清洁和重复使用，并且抗机械冲击能力更强，更适合在复杂或恶劣环境中部署。

(2) 理论与材料创新结合：将经典的自成像理论与新兴的纳米材料 (GO) 相结合，从物理设计和化学修饰两个层面协同提升性能，思路新颖，效果显著。

(3) 无酶检测：本研究不依赖葡萄糖氧化酶，避免了酶传感器固有的稳定性差、寿命短、受环境因素影响大等问题，更具鲁棒性。

研究总结

本研究成功地展示了一种基于自成像理论和氧化石墨烯涂层的高性能反射式光学葡萄糖传感器，传感器在折射率和葡萄糖浓度检测中均表现出高灵敏度、优异稳定性和良好的线性响应。特别是GO涂层带来的8倍灵敏度提升，凸显了纳米材料在传感领域巨大的应用潜力。这项工作不仅为无创血糖监测提供了一种有前景的新技术路径，也为用于检测其他生物分子 (如激素、癌症标志物等) 的高灵敏度光学传感器提供了宝贵的借鉴。未来，研究团队可能会朝着多功能化、集成化和智能化的方向继续探索，推动这项技术从实验室走向现实应用。

原文信息 

Cunha, C.; Monteiro, C.; Vaz, A.; Silva, S.; Frazão, O.; Novais, S. Enhanced Sensitivity in Optical Sensors through Self-Image Theory and Graphene Oxide Coating. Sensors 2024, 24, 891.

https://doi.org/10.3390/s24030891