利用蜘蛛丝制备光纤传感器,可用于检测血糖和其他生化分析物

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基于表面等离子体共振(surface plasmon resonance,SPR)的光纤传感器电磁场衰减距离短、受温度波动的影响小,同时它还具有设计简单、对糖相互作用灵敏度高等特征。为了提高光纤传感器的生物相容性,天然蜘蛛丝因其独特的机械和光学性能而受到越来越多的关注。

由于蜘蛛丝具有良好的弹性、抗拉强度、生物降解性以及生物相容性,在生物医学领域已使用蜘蛛丝制备了各类光学元件。但是,制备成本效益高、灵敏度高、结构紧凑的蜘蛛丝光纤传感器用于检测糖浓度,还有待进一步研究。

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据麦姆斯咨询报道,近日,台湾阳明交通大学、台湾仪器科技研究中心和台北医学大学的研究人员在Biomedical Optics Express发表了以“Biocompatible spider silk-based metal-dielectric fiber optic sugar sensor”为主题的研究论文。该研究论文的通讯作者为台湾阳明交通大学生物医学工程学院的Cheng-Yang Liu。在这项研究中,研究人员利用蜘蛛丝的光导特性开发了一种传感器,可以检测和测量生物溶液(包括葡萄糖和其他类型的糖溶液)折射率的微小变化。这种新型光传感器未来有望用于血糖和其他生化分析物的测量和检测。

由蜘蛛丝制备的高灵敏度光纤糖传感器

这项研究利用涂覆金属纳米层的蜘蛛丝制备了一种高灵敏度光纤糖传感器。蜘蛛丝直接采集自巨型木蜘蛛Nephila pilipes,这是一种天然基于蛋白质的生物聚合物,具有弹性大、损耗低、易于功能化等特征。采用倾斜角沉积技术(glancing angle deposition technique,GLAD)在基于蜘蛛丝的纤维表面涂覆了金属纳米层。这种光纤糖传感器基于糖溶液折射率变化的原理而设计。

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基于蜘蛛丝的光纤传感器的制造过程及SEM图

研究实验结果表明,这种光纤糖传感器对果糖、蔗糖和葡萄糖浓度的检测具有高灵敏度。因此这项研究工作为实现精确、灵敏的在线血糖即时诊断(point-of-care diagnostics)提供了一种新途径。

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基于蜘蛛丝的光纤传感器的实验布置图

此外,由于这种光纤糖传感器结构紧凑,可以进入大脑和心脏等难以触及的区域,因此随着技术进一步发展,它未来也有望用于植入式医疗设备和生物医学应用的治疗策略中。

测量结果精确且一致性高

为了测试这种传感器在一段时间内的可重复性和稳定性,研究人员用它在室温下测量含有未知浓度的果糖、蔗糖和葡萄糖溶液,以5分钟的间隔时间重复测量10次。

同时,为了定量地确定基于蜘蛛丝的光纤传感器性能,研究人员将该传感器所产生的光强光谱与商用折射计所获得的折射率测量值进行了比较。结果表明,该传感器能够识别溶液中糖的类型并提供浓度读数。

“通过实验获得的测量精度和传感灵敏度表明,该传感器可以准确估计未知糖溶液的浓度。”Cheng-Yang Liu表示,“此外,其灵敏度完全涵盖了人类血液中所发现的糖的浓度范围。”

在这种传感器能够应用于门诊或家用设备的实时测量之前,提高其准确性并增强其在环境变化下的稳定性是非常必要的,以使其使用寿命更长。

另外,研究人员正在开发一款软件,能够使该传感器与移动设备共同用于即时诊断。研究人员还期望扩展这款传感器的功能,使其能够用于测量人体血液中如乳糖和脂肪等不同的生化成分。

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