高灵敏度反射干涉光谱技术用于无标记葡萄糖检测，该方法采用简单的一步阳极氧化铝制备过程

《Surface and Coatings Technology》：High-sensitivity reflectometric interference spectroscopy for label-free glucose detection using facile one-step anodic alumina

本研究提出一种基于一步法制备的氧化铝氧化膜（AAO）的光学传感技术，用于葡萄糖检测。与传统方法相比，该AAO薄膜具有更快的制备时间（约30分钟），更高的灵敏度（0.033 nm/ppm）和更低的检测限（277 ppm），线性范围覆盖400-800 ppm，显著优于现有技术。

　　

作者：朱宇（Chung-Yu Yu）、罗志谦（Zhi-Qian Luo）、钟晨奎（Chen-Kuei Chung）

台湾国立成功大学机械工程系，台南市701

摘要

葡萄糖监测对维持整体健康至关重要。目前主要的葡萄糖监测方法是电化学检测，但这需要复杂的溶液和操作流程。因此，基于光学传感的方法成为一种有前景的替代方案，因为其操作简便。反射式干涉光谱（RIfS）由于其简单性、易用性和与多种材料的兼容性而受到广泛关注。然而，现有的RIfS制备过程耗时较长，通常还需要进行功能化处理以提高灵敏度和检测限，这限制了其实际应用。本文提出了一种简单的一步法制备阳极氧化铝（AAO）基底，用于基于RIfS的葡萄糖检测。通过短时间阳极氧化制备的AAO具有较低的光学干涉阶数，与传统长时间阳极氧化制备的AAO相比，具有更高的灵敏度和更低的检测限。这种简单一步法制备的AAO显示出红移（Δλ）与葡萄糖浓度之间的强线性关系（R2为0.9957）。葡萄糖的检测线性范围为400–800 ppm，填补了现有技术中的空白。本研究开发的一步法AAO制备方法的检测限（LOD）为277 ppm，表现出较高的灵敏度，在葡萄糖传感应用中具有巨大潜力。

引言

葡萄糖是包括人类在内的哺乳动物的主要能量来源，监测和控制血糖水平在严格的生理范围内至关重要[1]、[2]。葡萄糖稳态的破坏可能导致多种健康问题，如糖尿病和其他代谢紊乱[3]、[4]。因此，监测血糖水平对于维持整体健康和福祉至关重要，这也凸显了开发可靠且准确的葡萄糖检测和监测方法的重要性[5]、[6]。葡萄糖检测的金标准方法是液相色谱-质谱联用（LC/MS）。然而，LC/MS分析需要较长的时间、复杂的化学试剂、昂贵的设备以及受过培训的人员[7]。因此，目前葡萄糖检测主要依靠电化学方法，这些方法具有高灵敏度的优势[8]、[9]、[10]。然而，电化学检测也存在一些缺点，例如测量时间较长（可能需要几分钟）、样品体积较大，以及可能使用复杂的溶液[8]、[9]、[10]。因此，开发一种无需复杂反应系统即可快速检测葡萄糖的方法已成为当前研究的迫切课题[11]。基于检测有效光学厚度变化的光学传感器，如光栅[12]、[13]、光致发光[14]和反射式干涉光谱（RIfS）[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]，具有检测速度快、操作简单和非侵入性的优点[21]。其中，RIfS因其简单性、便利性和与多种材料的良好兼容性而受到广泛关注。RIfS利用薄膜反射式干涉的光学路径差异来计算光学厚度以实现传感。表1列出了已报道的RIfS基底及其所用材料。常用的RIfS材料包括二氧化硅[15]、[16]、硅[17]、[18]和多孔阳极氧化铝（AAO）[19]、[20]。然而，现有的RIfS技术需要耗时的制备过程，例如热氧化制备多孔SiO?需要超过一小时[15]，二氧化硅胶体结晶过程需要数天[16]，化学蚀刻制备多孔Si需要1.5–24小时[18]，以及长时间阳极氧化制备两步法纳米多孔AAO或堆叠纳米多孔AAO[19]。具体来说，Law等人采用20小时的第一步阳极氧化，随后去除氧化层3小时，再经过2小时的第二步阳极氧化，获得了具有规则垂直孔结构的AAO薄膜[19]。Acosta等人连续进行了三组各一百次循环的阳极氧化，总制备时间为14.5小时[20]。此外，Si和SiO?材料的制备过程需要使用危险的化学试剂，如HF。在上述研究中，要实现更高的灵敏度和更低的检测限（LOD），需要进行复杂的功能化处理[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。但由于经济考虑，这可能不切实际[22]。未经功能化的基底具有较低的LOD值，难以在实际葡萄糖检测中应用[20]。因此，开发一种高灵敏度的RIfS传感器，采用简单、安全的制备过程且无需功能化处理，具有重要意义。基于以上考虑，这种简单一步法制备的AAO薄膜将成为葡萄糖传感的潜在候选材料，有助于缩短制备时间并提高检测灵敏度。这种简单一步法制备的AAO是通过施加所需的最小阳极氧化时间来生产的阳极氧化膜，无需在孔隙之间建立应力平衡。与传统方法相比，该工艺显著减少了制备时间，省去了平衡内部应力的长时间初始阳极氧化步骤以及后续的氧化物去除和二次阳极氧化步骤[23]。

本文提出了一种基于一步法AAO的简单、灵敏的葡萄糖检测基底，用于RIfS。葡萄糖在AAO基底上的存在会导致干涉光谱发生红移，从而确定葡萄糖浓度。简单一步法阳极氧化制备的AAO薄膜足够薄，对于相同的分析物浓度，较薄的AAO薄膜会产生更大的红移。因此，基于这种AAO薄膜的RIfS的灵敏度和检测限（LOD）得到了提高。此外，AAO的孔隙结构有利于葡萄糖涂层的附着和均匀性。总制备时间约为30分钟，明显快于现有技术。使用这种一步法AAO基底，可以检测到400–800 ppm范围内的葡萄糖溶液，具有高线性（R2为0.9957）、高灵敏度（0.033 nm/ppm，即33 nm/(mg/mL)）和低检测限（LOD为277 ppm）。这比以往的光学传感技术有了显著改进，展示了在人体健康应用中的巨大潜力。

材料

低纯度（99–99.5%）的铝箔购自美国Alfa Aesar公司。草酸和磷酸购自台湾Miami Chemical公司，葡萄糖购自台湾GOpower公司。所有试剂均按原样使用，无需进一步纯化。

样品制备

低纯度铝箔样品（1 cm2）在0.3 M草酸溶液中于25°C下进行20分钟的一步法混合脉冲阳极氧化（HPA）（Jiehan 5000）[24]、[25]、[26]。该过程使用正弦波

结果与讨论

图2显示了在0.3 M草酸溶液中于25°C下制备20分钟的一步法AAO的顶视图SEM图像：(a) 初始状态；(b) 在35°C下用5 wt%磷酸蚀刻10分钟后的状态。与文献中描述的传统两步法AAO制备过程[30]、[31]、[32]不同，一步法AAO的孔隙较小且不规则，这是由于孔隙生长初期电场分布不均匀所致。为了提高孔隙率和孔隙分布

结论

本文采用了一种简单的一步法AAO结构作为基于RIfS的葡萄糖传感平台。通过测量干涉光谱中的红移（Δλ）来确定AAO上的葡萄糖浓度，红移是由覆盖的葡萄糖层厚度引起的。这种一步法AAO的检测线性范围为400–800 ppm，Δλ与葡萄糖浓度之间的线性相关性很强（R2 = 0.9957），有效填补了现有技术的空白。此外，该方法还实现了较高的灵敏度

CRediT作者贡献声明

朱宇（Chung-Yu Yu）：撰写初稿、数据可视化、验证、软件开发、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构思。 罗志谦（Zhi-Qian Luo）：撰写初稿、数据可视化、软件开发、方法论设计、数据分析。 钟晨奎（Chen-Kuei Chung）：审稿与编辑、结果验证、实验监督、资源协调、方法论设计、资金申请、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作部分得到了台湾科技部（现称为国家科学技术委员会，合同编号为MOST110-2221-E-006-177、MOST111-2221-E-006-130MY2、NSTC112-2221-E006-172-MY3）的支持。此外，还得到了教育部的高等教育Sprout项目对国立成功大学（NCKU）的支持。同时，我们也感谢核心设施中心的支持