一种基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器

技术领域

本发明涉及葡萄糖光传感器件，特别是涉及一种基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器，能用于大范围葡萄糖浓度测量。

背景技术

葡萄糖传感器是一种用于测量环境中葡萄糖浓度的仪器，可以帮助人们了解环境中的葡萄糖浓度，从而更好地控制饮食和生活方式。与传统的测量方法相比，葡萄糖传感器具有响应速度快、灵敏度高、稳定性好等优点，因此被广泛应用于食品安全、生物技术和医学检测等领域。例如，在食品加工和制造中，葡萄糖传感器可以用于检测食品中的葡萄糖含量，以确保食品的质量和安全性；在农业领域中，葡萄糖传感器可以用于检测土壤中的葡萄糖含量，以评估土壤的肥力和作物生长情况；此外，在环境监测中，葡萄糖传感器还可以用于检测水体中的葡萄糖含量，以评估水体的污染程度和生态环境的健康状况。

葡萄糖监测仪器按照传感测量方法可分为波长测量法和光强测量法。波长测量法是基于葡萄糖溶液在特定波长下的吸收或反射光谱特性来确定其浓度，这种方法不仅需要使用复杂的光学元件，如滤光片、光栅或干涉仪，还需要结合精确的波长测量设备来实现精确的测量，这大大增加了系统的复杂性和成本。波长测量法在某些浓度下的波长偏移可能较小，因此其灵敏度容易受到光谱仪测量精度的影响。光强测量法是测量输出光功率强度变化的方法，这种测量方案不需要光谱仪，也大大降低了测量的成本。目前已报道的一些基于光强探测法传感器表现出灵敏度受限、结构复杂且结构不够紧凑、或者对光源要求高等缺点，对于快速响应待测物质与传感器的相互作用和较宽的动态范围都有一定的不足。

因此，如何能在高精度测量葡萄糖浓度的前提下，探索一种光学葡萄糖测量方法，并获得高灵敏度、高线性度、高稳定性、低检测极限检测的葡萄糖传感器是本领域亟待解决的技术问题。

术语解释：PDMS：聚二甲基硅氧烷；PMMA：聚甲基丙烯酸甲酯；GOD：葡萄糖氧化酶；MMI：多模干涉耦合器；PBS：磷酸盐。

发明内容

本发明的目的是，提出一种基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器，该葡萄糖传感器灵敏度高、线性度好、稳定性强且易于集成，能有效测量大范围葡萄糖浓度。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

本发明提供一种基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器，包括由下至上的PDMS下包层、PMMA芯层和PDMS上包层；所述PMMA芯层包括输入波导、输出波导、1×2 MMI耦合器、2×1 MMI耦合器、弯曲波导、传感臂和参考臂；传感臂和参考臂等长且平行，二者以中心线为轴对称设置；在40℃的温度下通过酸性偶联剂将GOD固定在PMMA芯层的传感臂上形成三维矩形接触结构，三维矩形接触结构的上表面低于PDMS上包层的上表面，且高于传感臂的上表面；

所述GOD的折射率变化范围为1.3352-1.3400，所述传感臂的臂长为1740µm，传感臂和参考臂之间的臂间距为130µm；所述弯曲波导的弯曲半径为800µm，弯曲波导的横向长度为430µm，弯曲波导的偏转角度为0.28rad；

所述基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器的损耗控制在1.6dB以内，灵敏度为2.67 mW/(mg/mL)。

优选地，所述基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器的损耗为1.58dB，消光比为41.43dB。

当输入光功率为10mW，葡萄糖溶液浓度为0mg/mL时，最大输出光功率为6.95mW，并且当葡萄糖溶液浓度为2.6mg/mL时，最小输出光功率为0.0005mW，传感器实现葡萄糖浓度在0-2.6mg/mL范围内的线性响应，葡萄糖浓度传感范围为0-2.6mg/mL。

所述基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器的相对标准偏差为(1.5-2.5)×10

所述PDMS下包层和PDMS上包层的厚度均为10µm，折射率为1.4040；PMMA芯层的厚度为1µm，折射率为1.4880；传感臂上表面到三维矩形接触结构上表面的距离为2-3µm。

优选地，所述弯曲波导的波导宽度为1.5µm，高度为1µm。

GOD溶液的获得方式为：将GOD粉末溶于pH为5.5的PBS缓冲液中，形成质量浓度为30mg/mL的GOD溶液；

在PMMA芯层的传感臂上滴加GOD溶液并固化，在传感臂上形成三维矩形接触结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器的输入光功率为10mW，在葡萄糖溶液浓度为0-2.6mg/mL时的输出光功率在0.0005-6.9500mW之间变化。本发明传感臂臂长为1740µm，极大地缩小了器件的尺寸，结构简单且紧凑，不需要长的传感臂和复杂的微流控芯片即可实现对大范围葡萄糖溶液浓度的测量。

2.本发明葡萄糖传感器制备中通过控制GOD温度为40℃和pH为5.5，能保持GOD处于最佳活性，使马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器输出光功率达到最大值，灵敏度为2.67 mW/(mg/mL)，且损耗控制在1.6dB以内，具有高稳定性(相对标准偏差约(1.5-2.5)×10

附图说明

图1是本发明基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器的结构示意图；

图2是本发明基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器的弯曲波导结构及参数示意图；其中(a)为不同偏转角度下横向长度对输出光功率变化量的影响图；(b)为在偏转角度为0.28rad下弯曲半径对输出光功率变化量的影响图；

图3是本发明基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器的不同臂间距输出光功率对比图；其中(a)为参考臂和传感臂发生耦合效应时的臂间距(左图)和对应的输出光功率情况(右图)；(b)为参考臂和传感臂不发生耦合效应时的臂间距(左图)和对应的输出光功率情况(右图)；(c)为不同臂间距下输出光功率随折射率变化情况的对比图；

图4是本发明基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器的不同传感臂臂长下的输出光功率响应对比图；

图5是本发明基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器的光场图；

图6是本发明基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器的测量系统的示意图；

图7是在不同温度和pH下获得的基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器的输出光功率变化量的响应图；其中(a)为不同温度对输出光功率的影响图；(b)为不同pH对输出光功率的影响图；

图8是本发明基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器输出光功率随葡萄糖浓度变化的响应图；

图9是本发明基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器的特异性响应图；

图10是本发明基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器的稳定性响应图；

图11是本发明基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器的耐久性响应图；其中(a)为同一聚合物葡萄糖传感器在不同时间、不同葡萄糖浓度下的输出光功率对比图；(b)为同一聚合物葡萄糖传感器在不同时间、不同葡萄糖浓度下的灵敏度和损耗对比图；

附图标记：

1、PDMS下包层，2、PMMA芯层，3、PDMS上包层，4、1×2 MMI耦合器，5、2×1 MMI耦合器，6、弯曲波导，7、传感臂，8、参考臂，9、输入波导，10、输出波导，11、中心线。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围，下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明的技术方案，而不应当理解为对本发明的限制。

本实施例基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器(简称聚合物葡萄糖传感器)的结构如图1所示。包括由下至上的PDMS下包层1、PMMA芯层2和PDMS上包层3。PMMA芯层2包括输入波导9、输出波导10、1×2 MMI耦合器4、2×1 MMI耦合器5、弯曲波导6、传感臂7和参考臂8，传感臂7和参考臂8以中心线11为轴对称设置，在传感臂7所在区域附近刻蚀PDMS上包层3，将传感臂7的上、左、右三个侧面全部裸露，GOD填充刻蚀区域并通过酸性偶联剂固定在PMMA芯层2的传感臂7上，形成三维矩形接触结构，三维矩形接触结构的上表面低于PDMS上包层3的上表面，且高于传感臂7的上表面。

本实施例中PDMS下包层和PDMS上包层的厚度均为10µm，折射率为1.4040；PMMA芯层的厚度为1µm，折射率为1.4880；传感臂上表面到三维矩形接触结构上表面的距离为2-3µm。

本实施例基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器的弯曲波导结构及参数如图2所示。在选择弯曲波导6时，选用波导宽度为1.5µm和高度1µm的矩形波导与前端的1×2MMI耦合器4进行耦合对接。弯曲波导6的弯曲半径、横向长度和偏转角度是对光学损耗影响较大的三个重要因素，图2中(a)图为不同偏转角度下横向长度对输出光功率变化量的影响，在偏转角度为0.28rad下，其输出光功率损耗较小，且较稳定。图2中(b)图为在偏转角度为0.28rad下弯曲半径对输出光功率变化量的影响，在偏转角度为0.28rad、横向长度为430µm下，弯曲半径为800µm时其输出光功率损耗最小且较稳定。本发明综合考虑后选取弯曲波导6的弯曲半径为800µm、横向长度为430µm和偏转角度为0.28rad，此时弯曲波导6的波导损耗达到极小值，其归一化输出光功率为0.96a.u.。

本实施例基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器的不同臂间距输出光功率对比图如图3所示。传感臂7和参考臂8的臂间距太近会导致耦合效应的发生(左侧波导输入的能量随着传播距离的增加逐渐被耦合到右侧波导中)，同时也会影响传感器的传感性能。当臂间距不大于4µm时，从图3中(a)图可以看出，此时臂间距太近，将严重影响传感器的传感性能；综合考虑弯曲波导6的弯曲半径、横向长度和偏转角度与臂间距的共同作用，确定当臂间距为130µm时，传感臂7和参考臂8之间不会产生波导之间的耦合效应，如图3中(b)图所示，其输出光功率可以达到最大值，此时器件损耗最小，如图3中(c)图所示。

所述基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器的灵敏度

，

式中

在特异性催化葡萄糖反应后，GOD的折射率是减小的，不同浓度的葡萄糖溶液在与酶发生催化反应后，溶液的折射率也是减小的。此外，马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器的灵敏度与传感范围是一对相互制约的量。本实施例设置GOD的折射率变化范围为1.3352-1.3400，传感臂7的臂长为1740µm，如果臂长继续增长会导致检测的葡萄糖浓度范围减小，且在GOD的折射率变化范围为1.3352-1.3400的区间内，其输出光功率不单调；同样，如果臂长再继续增长会导致检测的葡萄糖灵敏度减小，且当传感臂7为三个面均接触待测物的矩形波导结构，臂间距为130µm，弯曲波导6的弯曲半径为800µm，横向长度为430µm和偏转角度为0.28 rad时，其在此折射率区间上有较高的灵敏度和线性度，并且在保证最大传感范围的同时实现器件的最小化。

本实施例基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器的不同传感臂臂长下的输出光功率响应对比图如图4所示。当GOD的折射率变化范围在1.3352-1.3400区间上，区间端点输出光功率差值最大且在此区间上单调时，灵敏度达到最大。只有当传感臂7的臂长为1740µm时，GOD折射率变化范围才在1.3352-1.3400区间上且输出光功率在此区间上单调；当传感臂臂长小于1740µm时，GOD折射率变化范围在1.3352-1.3400区间上的灵敏度将会减小，无法满足葡萄糖检测要求。

本实施例基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器的光场图如图5所示。当传感臂7的臂长为1740µm且传感臂7为三个面均接触待测物的矩形波导结构，在臂间距为130µm，弯曲波导6的弯曲半径为800µm，横向长度为430µm和偏转角度为0.28rad的情况下，光场被有效地限制在PMMA芯层2区域内，此时葡萄糖传感器的消光比为41.43dB。

本实施例基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器的测量系统如图6所示。对硅烷化偶联修饰GOD后的基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器滴加葡萄糖溶液进行传感测量，可调谐激光器发出波长为1550nm的光通过偏振控制器后，再通过锥形光纤耦合输入到基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器的输入波导9，输入光经由传感臂7和参考臂8发生干涉现象，由输出波导10经过锥形光纤耦合输出到光功率计中，从而得到基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器的浓度与输出光功率的关系。

本实施例中在固定GOD时，需要控制GOD所处的温度和pH，在保持GOD最佳活性的同时，使基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器性能达到最优。

本实施例采用共价偶联法实现GOD简单、高效、稳定的固定。首先使用硅烷溶液对传感臂7的表面进行表面功能化修饰，通过硅烷在酶和聚合物材料的界面之间架起“分子桥”；然后利用 1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺构成的交联剂对传感臂7表面做进一步偶联处理；

将GOD粉末溶于pH为5.5的PBS缓冲液中，形成30mg/mL的GOD溶液，将刻蚀完PDMS上包层3后的器件放置于高低温试验箱中，并控制温度为40℃，滴加GOD溶液并固化，在传感臂上形成三维矩形接触结构，并用PBS缓冲液冲洗传感臂7表面未固定的GOD，即完成了GOD的固定。

本实施例在不同温度和pH下获得的基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器的输出光功率变化量的响应图如图7所示。本发明通过高低温试验箱控制温度在35-45℃之间变化，采用相同浓度、相同体积、不同温度的葡萄糖溶液进行实验，分析基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器对应的光学传输特性曲线随温度的变化情况。温度对光学传输特性的影响如图7中(a)图所示，当将GOD所处的温度提高到40℃时，传感臂7表面发生特异性催化反应最强烈，传感臂7有效折射率变化最大，因此输出光功率变化量达到最大；进一步提高PBS缓冲液的温度值，传感臂7有效折射率变化将会减小，进而导致基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器的输出光功率变化量降低。

本发明通过选择pH=4.0和pH=8.0的PBS缓冲液与HCl和NaOH混合，将其pH值控制在一定范围内，并通过pH计进行测量，然后再以0.5 pH间隔缩小pH范围寻找最适pH。采用相同浓度、相同体积、不同pH的葡萄糖溶液进行滴加测量。溶液pH值对光学传输特性的影响如图7中(b)图所示，当增加PBS缓冲液的pH值到5.5时，GOD分子上活性基团处于解离状态，在传感臂7表面发生特异性催化反应后，传感臂7有效折射率将会变化最大，因此输出光功率达到最大变化量。进一步提高PBS缓冲液的pH值，GOD分子上活性基团的解离状态受到抑制，不利于酶和葡萄糖结合，传感臂7有效折射率变化将会减小，进而导致基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器的输出光功率变化量降低。

为了检测基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器的传感范围和灵敏度，配置了0-3mg/mL不同浓度的葡萄糖溶液，并以浓度间隔0.1mg/mL的浓度变化分别配置不同浓度梯度的葡萄糖溶液，例如配置1mg/mL浓度的葡萄糖溶液，将10mg的葡萄糖粉末加入在10mLpH为5.5的PBS缓冲液中并使用磁力搅拌器搅拌均匀。

本实施例基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器输出光功率随葡萄糖浓度变化的响应图如图8所示。实验测量中使用10mW的输入光功率，测量基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器的葡萄糖浓度传感范围

本实施例基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器的特异性响应图如图9所示。对比了传感器对三种不同溶液(PBS、NaCl和葡萄糖)的强度响应，其中基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器对葡萄糖的最大输出光功率响应变化量为6.95mW，对PBS和NaCl的最大输出光功率响应变化量分别为0.16mW和0.11mW，结果表明传感臂7上的GOD可以特异性识别葡萄糖，因此，基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器对葡萄糖具有良好的选择性。

本实施例基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器的稳定性响应图如图10所示。稳定性是聚合物葡萄糖传感器的另一个重要性能指标，也是测量结果准确性的重要表征。聚合物葡萄糖传感器的稳定性可以表示为：在相同的实验环境下(相同浓度、温度、pH、体积的葡萄糖溶液)对输出光功率的重复多次测量，表征其测量输出光功率的波动情况，因此可以用相对标准偏差来衡量基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器的稳定性。对浓度为1mg/mL和2mg/mL的葡萄糖溶液分别进行重复10次的测量，每隔5分钟记录一次测量结果，测量输出光功率随时间波动曲线如图10所示，实验结果表明虽然传感器测量的输出光功率随时间变化有不同程度的波动，但也是在极小范围内波动，浓度单点测量的相对标准偏差约为2×10

本实施例基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器的耐久性响应图如图11所示。耐久性是指对不同浓度葡萄糖溶液的光强响应可以维持良好的一致性和准确度，优异的耐久性是传感器实现长期使用的必要前提。对在室温环境下储存不同时间后的聚合物葡萄糖传感器进行响应测试，具体实验操作如下：将同一聚合物葡萄糖传感器分别在室温环境中存放15天和40天后，使用不同浓度的葡萄糖溶液对其进行测量，不同时间不同葡萄糖浓度下的光学输出特性曲线如图11中(a)图所示，15天和40天后与最初测量结果显示出一致的变化趋势，随着浓度不断增加输出光功率明显地向减小的方向移动，15天和40天后变化率分别为2.2%和3.2%。同时还考察了灵敏度和损耗这两个主要的性能参数，可以看出经过15天和40天后，测量结果如图11中(b)图所示，基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器的损耗和灵敏度并没有明显变化，损耗变化范围为2.36-2.50dB，灵敏度变化范围为2.67-2.53mW/(mg/mL)。虽然放置一段时间的器件响应强度、损耗和灵敏度相对于加工后立即测试时的性能略有下降，但是基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器对葡萄糖的传感区间并没有明显变化，说明在室温下存放不同时间后的聚合物葡萄糖传感器仍然对葡萄糖的响应维持高度的一致性。

本发明未述及之处适用于现有技术。