一种基于局部表面等离子体共振的高灵敏度折射率传感器的制备方法

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。

审核编辑：刘清