U形萨尼亚克光学微纤维耦合器生物传感器用于双基质葡萄糖检测

《Biosensors and Bioelectronics》：U-Shaped Sagnac Optical Microfiber Coupler Biosensor for Dual-Matrix Glucose Detection

　　

摘要：本文提出了一种基于U形萨尼亚克光学微纤维耦合器（OMC）的高性能葡萄糖生物传感器，该传感器功能化修饰有聚乙二醇/壳聚糖-葡萄糖氧化酶（PEG/CS-GOD）复合涂层。该传感器通过将萨尼亚克干涉仪的共模噪声抑制能力与U形微纤维的强倏逝场相结合进行设计，有效解决了微结构光学传感器中的环境不稳定性问题，同时多功能涂层兼具防污性能、生物相容性和酶催化特异性。该传感器表现出约1717 nm/RIU的高折射率灵敏度，两个干涉谷对葡萄糖的灵敏度分别为3.17和3.09 nm·mL·mg^-1，线性度优异（R² > 0.99），在模拟尿液中的检出限为0.224 mg/mL，响应时间为13 s。运行稳定性通过最小迟滞误差（<2%）、14天内约81%的响应保持率以及对生理相关浓度下关键干扰物的满意选择性得以验证。在模拟尿液（3.03 nm·mL·mg^-1）和人工血清（3.03 nm·mL·mg^-1）中的一致性能证实了双基质检测能力。双谷解调矩阵可实现实时温度补偿。凭借高灵敏度、快速响应、长期稳定性和双基质兼容性的均衡结合，该生物传感器代表了未来即时葡萄糖检测的一个有前景的平台。

基于U形萨尼亚克光学微纤维耦合器的双基质葡萄糖生物传感器研究解读

一、研究背景与问题的提出

糖尿病及其并发症已成为全球重大公共卫生负担。持续、准确、快速响应且用户友好的葡萄糖监测是有效疾病管理和改善患者生活质量的关键基石。理想的检测技术应兼具高精度、长期稳定性、良好的用户依从性（最好是非侵入性或微侵入性）以及强大的抗干扰能力。然而，当前主流技术平台在同时满足这些多维需求方面面临重大挑战。

电化学传感器是自我血糖监测的金标准，但其固有局限性阻碍了长期理想目标的实现：酶电极易受电活性物质干扰且长期稳定性有限，而频繁指尖采血带来的疼痛严重损害了患者依从性和持续监测能力。光学传感，特别是光纤生物传感，因其抗电磁干扰能力和在远程及复杂环境中的应用潜力而成为一种有前景的替代方案。然而，该领域面临两个关键瓶颈：第一，微结构化设计（如锥形光纤和U形探针）旨在增强倏逝场相互作用以获得极高灵敏度，但正是这种结构精密性使其天然容易受到环境扰动的影响——环境温度波动和机械应力会损害这些精细结构的性能，导致显著信号漂移和不稳定性，从而削弱其在实际应用中的可靠性。基于超材料的生物传感器尽管在微波至近红外频率范围内实现了显著的无标记检测灵敏度，但也面临类似的环境稳定性挑战。第二，在血液或尿液等真实生物基质中，高浓度的共存物质（如蛋白质、尿素、抗坏血酸）会造成严重的非特异性吸附和背景信号，对传感器的选择性和防污能力构成严峻挑战。

二、研究内容与解决方案

针对上述挑战，研究人员提出并实现了一种以器件物理和生物界面工程协同创新为核心的解决方案。在器件层面，开创性地设计了U形萨尼亚克光学微纤维耦合器结构，巧妙地将萨尼亚克干涉仪的共模噪声抑制优势与U形光学微纤维的强倏逝场增强特性相结合。萨尼亚克环固有的环境扰动消除能力从根本上解决了困扰高灵敏度微结构的环境稳定性问题。在界面层面，开发了多功能聚乙二醇/壳聚糖/葡萄糖氧化酶（PEG/CS/GOD）复合涂层，该涂层整合了PEG的防污屏障、CS的生物相容性基质和GOD的特异性催化功能，旨在复杂生物体液中实现优异的选择性识别。基于该平台，研究人员进一步探索了“一器件双检测”的应用范式，旨在使用同一传感器实现血清和尿液中的高性能葡萄糖检测。

该工作的主要贡献包括：（1）设计并制造了具有高折射率灵敏度的U形萨尼亚克光学微纤维耦合器，将共模噪声抑制与强倏逝场增强相结合以解决环境不稳定性问题；（2）开发了PEG/CS-GOD复合涂层，将防污、生物相容性和酶催化特异性整合到单一功能层中；（3）证明了在模拟尿液和人工血清中的双基质葡萄糖检测能力，并通过双谷解调矩阵实现集成温度补偿。

三、关键技术方法概述

研究人员主要采用了以下关键技术的协同组合：氢氧火焰加热拉伸法制备U形萨尼亚克光学微纤维耦合器，通过精确控制火焰温度（约1300°C）和拉伸位移（总延伸6500 μm）获得直径约7 μm的均匀腰部；浸渍提拉法实现PEG/CS-GOD复合涂层的高均匀性和可重复性沉积，包括PEG/CS沉积循环和GOD固定化循环；超连续谱激光光源（1500–1690 nm波长范围）结合高分辨率光谱分析仪（20 pm分辨率）构成光学检测系统；基于局域耦合模理论建立传感机制分析模型，并通过场发射扫描电子显微镜对器件形貌和涂层质量进行表征。

四、主要研究结果

1. U形萨尼亚克OMC的折射率灵敏度测量

研究人员使用折射率匹配液对裸器件进行灵敏度标定。实验结果表明，该微纤维探针实现了约1717.14 nm/RIU的折射率灵敏度，线性回归系数R2为0.99。干涉光谱的自由光谱范围约为40 nm，消光比约3 dB。该高折射率灵敏度归因于OMC直径接近色散转折点，7 μm腰部直径在强倏逝场与机械鲁棒性之间取得了最优平衡。

2. 功能化U形萨尼亚克OMC的表面特性

场发射扫描电子显微镜表征结果显示，所制备传感器的曲率半径分别为1.4 mm和1.5 mm，与设计值约1.5 mm高度吻合；腰部直径分别为7.7 μm和6.8 μm，均落在以约7 μm为中心的目标范围内。对十个独立制备传感器的统计分析表明，曲率半径在1.5 ± 0.1 mm范围内，腰部直径在6.8 ± 0.9 μm范围内变化，验证了制造工艺的鲁棒性。功能化器件的表面粗糙度和边缘不规则性增加，表明PEG/CS-GOD功能层成功且均匀地沉积在传感区域表面。

3. 功能化U形萨尼亚克OMC的葡萄糖传感性能

在PBS缓冲液中（0–3 mg/mL葡萄糖浓度范围）进行的传感性能评估中，两个干涉谷（dip1和dip2）均随葡萄糖浓度增加呈现渐进式红移。基于五次重复测量的平均波长位移，dip1实现了3.15 nm·mL·mg^-1的灵敏度（R2 = 0.99），dip2表现出3.17 nm·mL·mg^-1的相当灵敏度（R2 = 0.99）。基于3σ准则计算的检出限为0.067 mg/mL（相当于0.372 mM）。对照实验表明，裸传感器的灵敏度仅为0.24 nm·mL·mg^-1，功能化传感器相比非功能化对应器件实现了13.12倍的灵敏度增强，这归因于PEG/CS-GOD表面修饰的双重作用：GOD组分特异性结合葡萄糖并催化其氧化，产生局部折射率变化从而放大信号；PEG/CS基质提供生物相容性和防污微环境，保持酶活性并最小化非特异性干扰。

4. 功能化U形萨尼亚克OMC的响应时间

在模拟尿液中评估的表观系统响应时间定义为波长位移达到稳态值90%所需时间。五次重复测量得到单个响应时间为15.6、9.0、17.4、13.2和8.8 s，平均为12.8 ± 3.6 s。葡萄糖添加后30分钟内的监测显示，平均波长值总波动小于0.3 nm，表明传感器信号在初始响应后迅速稳定且无明显漂移。

5. 功能化U形萨尼亚克OMC的运行稳定性

循环稳定性通过连续浸入浓度递减（3至0 mg/mL）的葡萄糖溶液进行评估。下降阶段灵敏度为3.17 nm·mL·mg^-1（R2 = 0.99），升降循环间信号偏差小于2%的迟滞误差表明传感过程快速且完全可逆。长期可重复性评估中，传感器在14天内对3 mg/mL葡萄糖溶液的响应从第1天的9.44 nm降至第14天的7.65 nm，响应保持率约81%，表明测试期间未发生大规模酶失活或泄漏。据此计算的长期运行检出限为0.224 mg/mL，虽高于PBS中短期检出限，但仍远低于临床相关葡萄糖范围（0.5–3 mg/mL）。

6. 功能化U形萨尼亚克OMC的选择性

研究人员对尿液中常见干扰物（尿素、抗坏血酸、NaCl、肌酐）和血液中常见干扰物（果糖、蔗糖、胆固醇、KCl、CaCl₂）在生理上限浓度下进行了选择性评估。葡萄糖诱导了9.45 nm的平均红移，而各干扰物产生的波长位移分别为：尿素3.87 nm、NaCl 0.93 nm、抗坏血酸0.15 nm、肌酐0.20 nm、果糖0.47 nm、蔗糖0.01 nm、胆固醇0.53 nm、KCl 0.28 nm、CaCl₂ 0.44 nm。除尿素外所有干扰物位移均低于1 nm，且尿素的较大位移归因于浓缩溶液的体折射率增量而非特异性酶相互作用。在实际测量协议中，空白尿液基线先行记录且天然包含所有基质成分的体折射率背景，分析信号为加入葡萄糖后的增量位移，因此尿素响应不会转化为实际干扰。

7. 复杂生物流体中的双环境检测

在模拟尿液中，dip1的标定曲线获得了3.03 nm·mL·mg^-1的灵敏度和出色的线性度（R2 = 0.99）。在人工血清中，dip1同样获得了3.03 nm·mL·mg^-1的灵敏度和R2 = 0.99的线性度。两种基质中灵敏度的高度一致性表明，富含蛋白质和离子复杂的血清基质不会显著损害传感器的响应，确认了功能化传感器在尿液和血清基质中定量检测葡萄糖的能力。

8. 用于温度补偿的功能化U形萨尼亚克OMC解调矩阵

两个干涉谷对葡萄糖浓度和环境温度表现出不同的响应，且均保持优异线性度，因此可构建解调矩阵来分离浓度与温度之间的交叉灵敏度。在1.5 mg/mL固定浓度葡萄糖溶液的验证实验中，温度从20°C系统变化至35°C时，补偿前表观葡萄糖浓度在0.465至2.432 mg/mL之间剧烈变化；应用解调矩阵后，六个温度点的校正浓度均落在1.395–1.617 mg/mL范围内，与标称值的最大偏差不超过±8%，且残余误差未观察到随温度或热历史的系统性趋势。这证实了解调矩阵可在生理相关温度范围内提供有效的温度补偿。

五、结论

本工作提出了一个基于U形萨尼亚克光学微纤维耦合器的概念验证型双基质葡萄糖生物传感器，通过整合萨尼亚克干涉仪的共模噪声抑制与U形微纤维的强倏逝场，传感器对其两个干涉谷实现了3.17和3.09 nm·mL·mg^-1的葡萄糖灵敏度、14天内约81%的响应保持率，以及在模拟尿液（3.03 nm·mL·mg^-1）和人工血清（3.03 nm·mL·mg^-1）中的一致检测性能。双谷解调矩阵已被实验验证可进行实时温度补偿。当前系统依赖台式实验室设备且仅在人工样品中进行了测试；读出系统的小型化和在真实临床样品中的验证是迈向实际即时检测应用的必要后续步骤。该生物传感器凭借高灵敏度、快速响应、长期稳定性和双基质兼容性的均衡组合，代表了未来即时葡萄糖检测的一个有前景的平台。该研究成果发表在《Biosensors and Bioelectronics》期刊上。