基于液芯MTC的低濃度血液葡萄糖光學傳感器研究

范洪強，張 帥，萬洪丹*

(1.南京森林警察學院 特警學院, 南京 210023； 2.南京郵電大學 電子與光學工程學院，南京 210023)

引 言

血糖是人體運動供能的主要來源，血糖值代表著血液中的葡萄糖濃度。人體經過長時間的劇烈運動會出現在運動中或運動后的低血糖現象，血糖降低會導致頭暈、惡心、嘔吐等不適，嚴重者可能出現休克或者死亡[1-3]。這種現象常見于羽毛球運動、馬拉松運動、自行車運動等項目中[4-6]。

近年來，在體育競賽和運動訓練中發生了多起運動員因血糖過低導致猝死事件，如2019年,龍口馬拉松賽兩名參賽選手因機體血糖嚴重匱乏而死亡[1];2019年,黑龍江佳木斯馬拉松賽，一名49歲男子在參賽過程中因運動性低血糖突然猝倒[6]。由此可見，競賽和運動訓練中實時、準確、高效地檢測運動員血糖水平顯得尤為重要。目前，監測運動員血糖值的重要方法仍是指尖采血[7-8]。然而，指尖采血方法流程相對復雜，基于酶催化法來檢測血糖測試結果反饋時間長，且樣本采集量通常為毫升量級。據研究，光譜信號檢測方法具有實時、快速的特點[9]，是血糖檢測最有前景的方法[10]。紅外光譜方法采用紅外光穿透人體皮膚實現人體血糖的無損檢測，然而實際人體血液環境帶來的背景噪聲較大，使得實際測試結果的靈敏度和準確性受到影響[11]。因此，目前已有的葡萄糖濃度檢測方法仍然存在用時長、靈敏度相對較低、測試速度以及樣本采集量高等缺陷。光學微腔作為一種特殊的光學器件，一方面，具有窄帶光譜特性，可以用來實現激光器的選模功能[12]；另一方面，具有Q值高、腔內能量密度高、全光纖等優勢，可用于傳感領域[13-16]。相比于實心微腔，空心微腔可以作為液體的傳輸通道,實現了液體傳輸與檢測通道二合一，可用于檢測微量的液體[17-19]。通過錐形光纖對齊進行微腔耦合，激發高Q值回音壁模式(whispery gallery mode,WGM)共振譜，其腔內WGM共振譜對外界環境或者介質特性具有較高的光敏感特性，已成為生物分子、氣體化學成分等生化檢測應用的重要方法[20-21]。

本文中提出一種基于液芯微管腔(microtube cavity,MTC)的低濃度血液葡萄糖光學傳感器，實現了超低樣本體積、高靈敏度的葡萄糖濃度檢測，利用石英毛細管熔融拉錐方法制備了品質因子Q>106的玻璃微腔；通過對MTC的表面功能化,提高了傳感器的靈敏度和穩定性；該傳感器具有很高的線性度，靈敏度約為0.911pm/(mmol/L)，最小可檢測葡萄糖濃度為2.65mmol/L，檢測樣液體積約為90nL。該傳感器在實現運動員血糖的實時、快速監測方面具有重要的研究意義。

1 傳感器原理

傳感器由中空柱狀 MTC和錐形光纖組成，其結構圖如圖1所示。圖中圓環代表MTC，直線代表錐形光纖，圓環中的黑色部分為液芯，圓環與之間的間隔為耦合間距。MTC外徑和壁厚t分別設置為10μm和0.6μm，錐形光纖錐區直徑為1μm。微管腔和錐形光纖材料均為石英，折射率為1.4446，MTC和錐形光纖的耦合間距為d。

Fig.1 MTC and tapered fiber coupling model observed by FDTD

使用時域有限差分(finite-difference time-domain,FDTD)算法仿真在不同d時MTC的WGM光譜。受計算機運行內存的限制，所構建的模型尺寸小于實驗制備的器件尺寸。仿真時網格精度設置為100nm，光源波長范圍1.5μm～1.6μm，掃描精度為1pm。如圖2所示，保持直徑不變，采用壁厚t從0.7μm～1.1μm的MTC與錐形光纖耦合。取耦合間距d為0.4μm～0.8μm時進行分析，比較不同d的WGM譜特性。當MTC壁厚為0.7μm時，(Q值最高)最佳耦合間距dopt=0.7μm；當MTC壁厚為0.8μm時，最佳耦合間距為0.7μm；當MTC壁厚為1μm時，最佳耦合間距為0.6μm；當MTC壁厚為1.1μm時，最佳耦合間距為0.5μm。MTC壁厚從0.7μm增加到1.1μm，最佳耦合間距從0.7μm逐漸減小至0.5μm。仿真結果表明，增加MTC的壁厚，最佳耦合間距d逐漸減小。

Fig.2 Optimal coupling spacing of MTC with different wall thickness

當空心MTC中注入溶液時，MTC內外壁的倏逝場將重新分布，因而耦合條件會發生改變。向上述MTC中注入折射率為1.36的溶液，形成液芯MTC。將不同壁厚的液芯MTC與錐形光纖耦合，壁厚t從0.7μm增加到1.1μm，耦合間距從0μm以0.1μm的步長逐漸增加。如圖3所示，取耦合間距0.3μm～0.7μm分析可知，增加MTC壁厚，回音壁模共振譜紅移。取耦合間距0.3μm～0.7μm分析可知，增加液芯MTC壁厚，其WGM共振譜紅移。在同一壁厚條件下，不同耦合間距激發的共振波長位置不變。當液芯MTC壁厚為0.7μm時，最佳耦合間距dopt=0.5μm，Q=3×103；當液芯微管腔的壁厚為0.9μm時，最佳耦合間距為0.5μm，Q=2.9×103；當液芯微管腔的壁厚為1.0μm時，最佳耦合間距為0.4μm，Q=2.8×103；當液芯微管腔的壁厚為1.1μm時，最佳耦合間距為0.4μm，Q=2.9×103。由此可知，當液芯MTC的壁厚從0.9μm增加到1.1μm時，其與錐形光纖的最佳耦合間距從0.5μm逐漸減小為0.4μm。通過與上述空心MTC的最佳耦合間距仿真對比可得，同樣壁厚的液芯MTC與錐形光纖的最佳耦合間距小于空心MTC與錐形光纖耦合的最佳耦合間距。

當向MTC中注入液芯時，液芯的折射率變化會引起WGM共振譜的漂移。向直徑為20μm、壁厚為0.8μm的MTC中注入不同折射率的溶液形成液芯微管腔，液芯折射率為1.34～1.42，折射率增加步長為0.02。根據上述液芯微管腔與錐形光纖的最佳耦合分析，將耦合間距設置為0.4μm。如圖4所示，液芯折射率的增大導致WGM共振譜波長紅移，且液芯折射率越大，共振波長漂移量越大。這是因為液芯的折射率越大，MTC與液芯的折射率差越大，因而使更多的倏逝場能量分布于微管腔的內壁附近。折射率變化范圍為1.34～1.42，相鄰折射率的波長漂移量分別為：4.99nm,5.28nm,6.08nm,6.38nm。

由共振條件2πRneff=mλ(其中，R是微腔半徑，m為不小于1的正整數)可知，當微腔的結構參量發生變化時，會引起共振波長λ的改變。因此當液芯MTC的壁厚發生改變時，微腔的有效折射率neff發生變化，共振波長λ發生漂移。取液芯MTC的壁厚分別為0.7μm,0.8μm,0.9μm,1.0μm，與直徑為1μm的錐形光纖耦合，耦合間距為400nm。如圖5所示，向不同壁厚的液芯MTC中注入折射率為1.34～1.42的液芯，折射率步長為0.02。液芯折射率增大，共振波長發生紅移。液芯MTC的壁厚不同，共振波長的漂移量不同。液芯MTC的壁厚為0.7μm，共振波長漂移量為30.07nm；液芯MTC的壁厚為0.8μm，共振波長漂移量為22.73nm；液芯MTC壁厚為0.9μm，共振波長漂移量為17.08nm；液芯MTC的壁厚為1.0μm，共振波長漂移量為12.58nm。仿真結果表明，隨著液芯MTC的壁厚減小，共振波長漂移量增大，微腔對液芯折射率變化的敏感性增強。

Fig.3 Optimal coupling spacing of MTC core with different wall thickness

Fig.4 WGM resonance spectra of MTC core with different refractive index

Fig.5 WGM resonance spectrum of MTC core with different wall thickness

由公式S=Δλ/Δn(其中，Δn表示折射率變化)可知，液芯微管腔的折射率傳感靈敏度S與共振波長的漂移量Δλ成正比。如圖6所示，液芯微管腔的壁厚為0.7μm，折射率傳感靈敏度為0.3759μm/RIU；液芯微管腔壁厚為0.8μm，折射率傳感靈敏度為0.2841μm/RIU；液芯微管腔壁厚為0.9μm，折射率傳感靈敏度為0.21345μm/RIU；液芯微管腔壁厚為1.0μm，折射率傳感靈敏度為0.15725μm/RIU；液芯微管腔壁厚為1.1μm，折射率傳感靈敏度為0.1117μm/RIU；液芯微管腔壁厚為1.2μm，折射率傳感靈敏度為0.07725μm/RIU，即隨著液芯微管腔壁厚的增加，折射率傳感靈敏度減小。圖中,RIU(refractive index unit)表示單位折射率。

Fig.6 Refractive index sensing sensitivity of MTC with different wall thickness

Fig.7 MTC with different diameters

取MTC的壁厚為0.8μm，錐形光纖的直徑為1μm，二者耦合間距為0.4μm。保持其它參量值不變，向空心MTC中分別注入折射率為1.34和1.36的液芯。注入折射率1.36的液芯，共振波長相較于折射率1.34的液芯發生紅移。如圖7所示，隨著液芯MTC直徑的增大，WGM共振譜發生紅移，且共振波長漂移量會逐漸增大。因而折射率傳感靈敏度隨著液芯MTC的直徑增大而增大。

2 傳感器實驗系統

2.1 實驗裝置

MTC和錐形光纖耦合的顯微圖像如圖8所示。作者使用熔融拉錐法實驗制備了外徑約為89.1μm的MTC，并通過管內氣壓控制法將MTC的壁厚拉伸到約2.5μm。通過錐形光纖與柱狀微腔耦合激發WGM，測得MTC的Q因子約為1.1×106。MTC和錐形光纖(錐區直徑約為2μm～3μm)之間的耦合距離由精度為20nm的高精度電控位移平臺控制。過耦合用于確保整個傳感系統的穩定性。MTC可以將WGM特性與其微流控的固有能力相結合，并且Q因子相對較高，MTC的管壁薄而彎曲，具有大表面積，可以增強光與物質的互作用。所有這些都有助于在小范圍內有效激發強的倏逝場，并有助于實現葡萄糖濃度測試的低檢測極限和高靈敏度檢測。

Fig.8 a—microscope photos of MTC-tapered fiber coupling system b—WGM spectrum test results with Q value of 1.1×106

基于MTC的葡萄糖濃度生物光學傳感器實驗裝置如圖9所示。使用蠕動泵將葡萄糖溶液注入MTC(型號TJ-3A，蠕動泵的最小流速為7μL/min)。調諧光源中心波長為1550nm，線寬小于5kHz，調諧范圍為35GHz。通過錐形光纖耦合MTC激發WGM共振譜，并由光電探測器(photoelectric detector,PD)接收，其帶寬為125MHz,由偏振控制器(polarization controller，PC)控制入射光的偏振狀態。

Fig.9 Schematic diagram of glucose concentration bio-optical sensor experimental setup based on MTC

2.2 穩定性測試

采用過耦合方式實現微腔與錐形光纖的耦合，確保MTC耦合系統的穩定性。首先，將去離子水泵入MTC，測試傳感器的穩定性，實驗結果如圖10所示。每10min記錄一次MTC的WGM光譜,并連續測量1h。WGM光譜的最大波長漂移約為0.89pm。MTC中的WGM共振不僅對目標分析物敏感，而且對環境干擾(例如機械振動和溫度變化)敏感。對于可檢測的目標分析物變化，WGM光譜的波長偏移應大于0.89pm。傳感系統放置在隔振光學平臺上，溫度擾動是潛在的噪聲源，應考慮進一步改進以抑制傳感器的不穩定。

Fig.10 WGM spectra of cylindrical microcavities measured within 1h(inset: enlarged view of WGM spectrum)

將具有5種不同質量分數的NaCl溶液泵入柱狀微管腔中。溶液折射率測試結果如表1所示，每種溶液的折射率(refractive index,RI)用阿貝折射儀測量5次取平均值。

Table 1 The refractive index of five different concentrations of NaCl solution was measured five times each time

保持錐形光纖-MTC的耦合條件穩定且不變,逐步將質量分數為0.026，0.028，0.030，0.032，0.034的NaCl溶液泵入MTC，WGM光譜的對比結果如圖11所示。可以看出，隨著泵入的NaCl質量分數的增加，WGM光譜會發生紅移，因為溶液折射率的增加導致WGM諧振波長向長波長方向漂移。圖11b為測得的WGM波長偏移與NaCl溶液的折射率變化的關系。經計算MTC的體折射率靈敏度為23.36nm/RIU。

Fig.11 MTC with the increase of NaCl concentration

3 低濃度葡萄糖測試實驗結果與分析

結合微流控方法將被測液態分析物進入MTC時，分析物與MTC內表面的交聯可被視為光傳播的1階擾動，可計算出傳播常數的變化：

(1)

式中，Δβ表示傳播常數的變化,下標b表示生物分子與微腔表面綜合處,σp是生物分子的表面密度，εs是相對介電常數，αex表示由于單個生物分子引起的過量極化，τ表示MTC表面功能化后內壁表面附近的場強變化，其大小與折射率和薄壁的厚度有關,E(x,y)表示電場強度，L代表傳感區域長度。分母的積分表示整個波導截面上的模能量，由于大多數能量都限制在MTC內壁中，因此兩種模式(光纖模式和混合模式)的積分振幅幾乎相同；分子的積分表示MTC的內壁表面的能量密度，對(1)式進行變式可以獲得：

(2)

(2)式說明了光場在微腔內傳播常數的變化可引起WGM波長的漂移。在MTC內壁上捕獲更多的葡萄糖分子會導致更大的折射率變化，從而WGM波長偏移量增加。因此，通過對MTC的表面功能化以增強對葡萄糖分子的捕獲，可以提高靈敏度。

實驗過程中，利用葡萄糖氧化酶(glucose oxidase,GOD)對MTC的內壁進行表面功能化以捕獲更多的葡萄糖分子。表面功能化所需的生化試劑為：去離子水、醋酸鈉試劑、無水乙醇、無水葡萄糖、GOD、硝酸、濃硫酸和過氧化氫。

表面功能化步驟如下：(1)將去離子水多次泵入MTC中，以確保MTC清潔，再注入質量分數為0.05的稀硝酸并密封在MTC中，靜置2.5h;(2)用去離子水和酒精交替清潔MTC,注入食人魚溶液濃硫酸溶液并在MTC中密封1h，以確保MTC內壁表面上的羥基被完全活化;(3)將MTC保持中空并在室溫下干燥，然后將3-氨基丙基三乙氧基硅烷溶液泵入MTC，并靜置30min，再用去離子水和酒精沖洗以除去腔室的非共價鍵合的硅烷化合物;(4)將10mg/mL葡萄糖氧化酶(GOD)溶液(溶劑為乙酸鈉緩沖溶液)注入MTC中,將該MTC靜置2h,以確保在MTC的內表面鹽化后，GOD-COOH基團與NH3+充分反應;(5)依次用乙酸鈉緩沖溶液和去離子水沖洗MTC的內部，然后使其干燥。在表面功能化過程中重要的是，保持MTC和錐形光纖耦合的穩定性。

由于實驗制備的MTC具有較小的管徑，結合微流控技術，實際實驗測試用到的樣品量可低至90nL。實驗結果如圖12所示，隨著葡萄糖溶液的濃度增加，測得的WGM光譜紅移更大。從圖12a中可以看出，可檢測到由2.65mmol/L的低葡萄糖濃度變化引起大約為3.04pm的波長偏移。葡萄糖濃度由0mmol/L變化到13.76mmol/L時，WGM共振波長從1547.122nm移至1547.139nm,光譜位移范圍達到13.76pm。圖12b中給出了波長偏移與葡萄糖濃度的函數線性擬合結果，表面功能化的MTC測試葡萄糖濃度具有較高的線性度，且其靈敏度約為0.911pm/(mmol/L)。

Fig.12 Results of glucose concentration tests

4 結 論

提出了一種基于液芯MTC的低濃度血液葡萄糖光學傳感器。基于FDTD算法仿真分析了MTC的尺寸結構參量對耦合條件和液芯折射率傳感特性的影響。實驗制備了外徑約為89.1μm，壁厚約為2.5μm的MTC。通過錐形光纖與柱狀微腔耦合激發WGM，測得MTC的Q因子約為1.1×106。通過表面功能化方法增強MTC的葡萄糖測試靈敏度，可實現的線性度為0.988，檢測靈敏度為0.911pm/(mmol/L)，最小可檢測葡萄糖摩爾濃度為2.65mmol/L，檢測樣液體積約為90nL。

本文中提出的基于MTC的低濃度血液葡萄糖光學傳感器具有高穩定性、低樣本體積、快速檢測以及高成本效益的優點，在運動員耐力訓練中血糖的實時、快速監測，保障運動安全性和持久性等具有重要的實用價值。