集成光纖傳感器的微流控芯片用于同步監(jiān)測葡萄糖溶液濃度和溫度

近年來，越來越多的人患有高血糖癥。高血糖癥是指患者血液中葡萄糖濃度水平高于正常值的癥狀，其典型指標(biāo)為患者的血糖濃度在餐后2小時高于7.7 mmol/L。目前，為了實現(xiàn)對患者血糖水平的有效監(jiān)測，相關(guān)研究已經(jīng)提出了幾種基于特殊干涉結(jié)構(gòu)的表面等離子共振（SPR）和局域表面等離子共振（LSPR）葡萄糖傳感器。但是，這些傳感器在進行監(jiān)測時，仍然存在葡萄糖溶液濃度與溫度測量之間的串?dāng)_問題，從而影響了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外，大多數(shù)葡萄糖傳感器是點監(jiān)測系統(tǒng)，這使得監(jiān)測血糖濃度的整體分布很困難。因此，亟需開發(fā)一個有效的血糖濃度監(jiān)測系統(tǒng)。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究人員提出了一種集成高靈敏度雙參數(shù)光纖傳感器的微流控芯片，用于實時監(jiān)測葡萄糖溶液濃度和溫度。相關(guān)研究成果以“Microfluidic Chip with Fiber-Tip Sensors for Synchronously Monitoring Concentration and Temperature of Glucose Solutions”為題發(fā)表于Sensors期刊。

集成不同形狀的光纖傳感器會對微流控芯片通道內(nèi)的流場產(chǎn)生不同影響。因此，研究人員首先采用有限元法分析了光纖傳感器探頭形狀對流場的影響。研究人員對半球罩形、矩柱形、圓柱形和錐形基底的探頭進行了設(shè)計，并在一定的流速下進行了仿真分析。仿真結(jié)果顯示，相比于其他類型探頭，當(dāng)流體流過半球罩形探頭（HCSP）和錐形探頭時，流場恢復(fù)速度更快。此外，采用低成本的光纖端面點膠法即可以制備出半球罩形傳感器探頭。因此，該研究選定半球罩形探頭光纖傳感器集成到微流控芯片上。

圖1 （a）包括半球罩形、矩柱形、圓柱形、錐形四種探頭結(jié)構(gòu)在內(nèi)的仿真分析示意圖；（b）流場分布

該研究所制備的微流控芯片中設(shè)置了兩條寬度為600 μm的通道作為葡萄糖溶液和去離子水的流入通道。該通道與中央反應(yīng)池相連，以保證葡萄糖溶液和去離子水均勻混合。通過控制流速和流入時間，可以控制混合后的葡萄糖溶液濃度。此外，將多個光纖傳感器探頭連接到高速光纖光柵解調(diào)器上，利用相干光源可以實現(xiàn)葡萄糖溶液溫度和濃度的實時監(jiān)測。

圖2 （a）微流控芯片設(shè)計示意圖；（b）集成光纖的微通道橫截面示意圖；（c）半球罩形傳感器探頭（HCSP）光場干涉原理示意圖

圖3 （a）連接液體管道和半球罩形傳感器探頭（HCSP）的微流控芯片視圖，右下角放大部分為半球罩形傳感器探頭（HCSP）視圖；（b）集成半球罩形傳感器探頭（HCSP）的微流控芯片與解調(diào)系統(tǒng)示意圖

為了測試該微流控芯片對葡萄糖溶液溫度和濃度的檢測靈敏度，研究人員將微流控芯片放置在30°C的室溫下，并以1°C為梯度在不同通道中依次注入溫度為32°C~37°C的去離子水。如圖4a所示，HCSP-1的干涉光譜隨著溫度的升高逐漸向長波方向偏移。為了更詳細地揭示波長位移與溫度之間的關(guān)系，在各干涉光譜中選取1547 nm處的干涉傾角，并記錄其在不同溫度下的中心波長。

對各溫度下的干涉傾角的平均中心波長進行線性擬合，結(jié)果顯示，在32℃~37℃溫度范圍內(nèi)，HCSP-1、HCSP-2和HCSP-3的溫度靈敏度分別為285 pm/°C、297.1 pm/°C和314 pm/°C。此外，對微流控芯片濃度靈敏度的研究結(jié)果顯示，在0.2 g/L~1.2 g/L范圍內(nèi)，HCSP-1、HCSP-2和HCSP-3的濃度靈敏度分別為?0.539 dB/(g/L)、?0.678 dB/(g/L)和?0.577 dB/(g/L)。

圖4 （a）FP干涉反射譜的溫度響應(yīng)；（b）HCSP-1的溫度響應(yīng)；（c）HCSP-2和HCSP-3的溫度響應(yīng)；（d）FP干涉反射譜的濃度響應(yīng)；（e）HCSP-1的濃度響應(yīng)；（f）HCSP-2和HCSP-3的濃度響應(yīng)

隨后，研究人員對該微流控芯片的檢測穩(wěn)定性和重復(fù)性進行了測試。將HCSP-1置于30°C和40°C的水浴中25 min，從圖5a中可以看出，HCSP-1的最大偏差（包括讀數(shù)誤差、擬合誤差和環(huán)境變化引起的誤差）為0.08 nm?？傮w而言，除輕微抖動外，干涉傾角穩(wěn)定。因此，該微流控芯片具有良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性。

圖5 （a）HCSP-1在30°C~40°C時的穩(wěn)定性試驗；（b）HCSP-1在30°C~40°C時的重復(fù)性試驗

綜上所述，該研究提出了一種集成光纖傳感器的微流控芯片，可用于實時監(jiān)測葡萄糖溶液溫度和濃度，具有低成本、高性能的特點，有利于藥物發(fā)現(xiàn)、病理研究和材料科學(xué)研究。

審核編輯：劉清