基于石墨烯-金纳米颗粒修饰的亲和型表面等离子共振微葡萄糖传感器

A fiber-optic surface plasmon resonance (SPR) micro glucose sensor based on surface modification with graphene and gold nanoparticles by affinity sensing with boronic acid polymer is proposed to be implanted subcutaneously to detect the glucose concentration in interstitial fluid to satisfy the clinical demand of dynamic and continuous blood glucose monitoring in the project.The main research contents are as follows:.1) The sensing theory, structure design and fabrication processing of D-shape fiber-optic SPR micro sensor are analyzed..2) The method of integrating the long period fiber grating temperature sensor into the D-shape fiber-optic SPR micro sensor to compensate the influence of body temperature fluctuation on glucose concentration measurement precision is studied. .3) The method of nano-structured surface modification with graphene and gold nanoparticles onto the sensitive membrane of D-shape fiber-optic SPR micro sensor to excite the localized surface plasmon resonance for improving the glucose concentration measurement sensitivity is studied. .4) The method of immobilizing the glucose-specific boronic acid polymer onto the sensitive membrane of D-shape fiber-optic SPR micro sensor utilizing layer-by-layer self-assembly nanotechnology to eliminate the influence of other chemical substances by affinity sensing in interstitial fluid and realize the specific detection of glucose molecules is discussed. .5) The method of realizing high efficiency light coupling of internal D-shape fiber-optic micro SPR sensor and external optical detection system without optical fiber connection in vitro by optical clearing technology is brought forward.

针对现有微创血糖检测技术的缺陷，本项目提出研究一种基于石墨烯-金纳米颗粒修饰的亲和型表面等离子共振微葡萄糖传感器，通过植入皮下检测组织液中的葡萄糖浓度，实现人体血糖浓度的动态、连续监测 ，满足糖尿病诊断和治疗的临床需要。研究内容包括：1）D型光纤SPR微传感器的传感机理、结构设计与加工制备；2）在D型光纤SPR微传感器上集成均匀正弦型长周期光纤光栅微温度传感器，原位补偿人体温度波动影响折射率测量精度的方法；3）采用石墨烯-金纳米颗粒复合结构对D型光纤SPR微传感器的金膜表面进行纳米结构化修饰，激发局域表面等离子共振，提高葡萄糖分子测量灵敏度的方法；4）将硼酸聚合物通过纳米层层自组装技术绑定在D型光纤SPR微传感器敏感膜表面，排除人体组织液中其他化学物质的干扰，实现葡萄糖分子特异性亲和检测的方法；5）通过光学清透技术实现体内光纤SPR微传感器与体外光学检测系统无光纤连接光耦合的方法。

针对现有微创血糖检测技术的缺陷，本项目研究了一种基于石墨烯-金纳米颗粒修饰的亲和型表面等离子共振微葡萄糖传感器，通过植入皮下检测组织液中的葡萄糖浓度，实现了人体血糖浓度的动态、连续监测，满足糖尿病诊断和治疗的临床需要。1）研究了D型光纤SPR微传感器的传感机理、结构设计与加工制备；2）研究了在D型光纤SPR微传感器上集成均匀正弦型长周期光纤光栅微温度传感器，原位补偿人体温度波动影响折射率测量精度的方法；3）研究了石墨烯-金纳米颗粒复合结构对D型光纤SPR微传感器的金膜表面进行纳米结构化修饰，激发局域表面等离子共振，提高葡萄糖分子测量灵敏度的方法；4）研究了硼酸聚合物通过纳米层层自组装技术绑定在D型光纤SPR微传感器敏感膜表面，排除人体组织液中其他化学物质的干扰，实现了葡萄糖分子特异性亲和检测的方法；5）研究了组织液与血液中葡萄糖浓度的相关性预测模型及其修正方法，建立了人体血糖浓度动态、连续检测的实验系统，开展了模拟动物和人体实验，并评价了集成D型光纤SPR微传感器的性能。.本项目研发的SPR传感器采用侧边抛磨型结构，即传感区抛磨为一平面结构，使得光纤表面修饰技术易实现，为增强传感器的灵敏度奠定了基础；集成长周期光纤光栅，这使得传感器能自动补偿温度引起的SPR光谱的漂移，增强了传感器的测量准确度. 实验结果显示：LPFG共振波长随温度增加而增加，线性拟合度为0.93514；SPR共振波长随温度增加而减小，线性拟合度为 0.90122；SPR共振波长随葡萄糖浓度增加而增加，线性拟合度为0.96134；采用的温度补偿方案可以补偿温度引起的SPR光谱偏移，增强传感器的测量准确度。.本项目研究了一种新型液相转移方法来在微尺度的传感器表面上修饰化学气相沉积CVD石墨烯，充分利用二维材料的优异光电特性来提升SPR葡萄糖传感器的性能，同时，研究结果表明，金纳米颗粒修饰的光纤SPR传感器具有更好的测量精度和稳定性。