[发明专利]一种基于金纳米复合材料光纤的反射式葡萄糖传感器及测量系统

说明书

本发明公开一种基于金纳米复合材料光纤的反射式葡萄糖传感器及测量系统。光纤采用掺杂有金纳米颗粒的葡萄糖敏感水凝胶材料为基体材料，同时利用银镜反应对光纤端面进行化学镀膜，增加信号光与传感光纤的作用长度，从而提高传感光纤探测的灵敏度。相比于透射式光纤传感器，反射式传感结构可以通过单个插入点进行葡萄糖监测，具有结构紧凑、安装方便及可靠性好等优势。葡萄糖分子与传感光纤中修饰的葡萄糖敏感官能团发生特异性结合，导致光纤体积变化，从而改变金纳米颗粒的局域表面等离子体共振(LSPR)吸收强度。通过检测反射光信号的LSPR峰值强度变化，可实现对葡萄糖的实时、定量检测。

(一)技术领域

本发明涉及的是一种基于金纳米复合材料光纤的反射式葡萄糖传感器及测量系统，用于连续长期血糖监测，属于光学检测及有机材料应用技术领域。

(二)背景技术

葡萄糖是参与人体生命活动的重要物质之一，健康的人体血糖范围为4-8mM，而糖尿病患者的血糖浓度远高于这个浓度，过高的血糖浓度打破了人体各系统的协调从而严重影响人体的健康。此外，血糖波动过大，还可能诱发许多严重的并发症，包括肾功能衰竭、神经病变、心血管疾病等。2019年，全球糖尿病患者人数高达4.63亿，预计到2045年将增至6.29亿，糖尿病已经发展为一种全球性的公共健康问题。血糖控制对于最大程度地减少与糖尿病相关的并发症至关重要。目前，胰岛素注射是糖尿病最为科学合理的临床治疗手段，能够有效地将血糖控制在正常水平。胰岛素的注射剂量需要根据人体血糖浓度变化来精确调整，如果控制不当会导致低血糖甚至休克等严重的不良反应。因此，血糖监测也就成为了糖尿病护理中最为关键的环节。传统的血糖监测采用的是单点式葡萄糖传感器，对于需要多次胰岛素注射或使用胰岛素泵治疗的患者，每天需要进行6-8次手指穿刺来测量血糖浓度，这不仅给患者带来很大生理痛苦和诸多潜在的安全隐患，而且采集的血糖数据为离散数据无法准确的反映真实的血糖变化趋势，从而直接干扰医生对病情判断，甚至会产生误诊。连续动态血糖监测对于有效管理糖尿病患者血糖水平，提高患者生活质量具有重要意义，但目前还没有可供临床使用的长期植入式葡萄糖传感器。

(三)发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种金纳米复合材料光纤的反射式葡萄糖传感器，用于实时、定量的葡萄糖检测。

为了实现以上目的，本发明采用的技术方案如下：

所述光纤的反射式葡萄糖传感器由末端镀有银镜的葡萄糖敏感型纳米复合材料光纤构成，其特征在于，所述传感光纤采用葡萄糖敏感修饰的聚丙烯酰胺(PAAm)水凝胶材料制成，光纤末端的银镜反射信号光构成反射式传感，增加信号光与光纤的作用长度从而增加传感光纤探测的灵敏度。

所述传感光纤材料具有柔软的机械性能，与葡萄糖分子作用后呈现线性、快速的膨胀/收缩特性。

进一步地，所述传感光纤材料通过共价键合的方式掺杂有金纳米颗粒(GNPs)，利用GNPs的局域表面等离子体共振(LSPR)吸收效应实现对葡萄糖的定量检测。

所述传感光纤，其特征在于，其制备方法包括以下步骤：

步骤(1)：将丙烯酰胺单体(AAm)、交联剂(N,N′-methylenebis(acrylamide),BIS),3-丙烯酰胺基苯硼酸(3-APBA)按一定摩尔比混入1mL二甲基亚砜(DMSO)溶液,搅拌均匀后添加光引发剂(DEAP,1-2％w/v)和羧基修饰的金纳米颗粒(0.02％-0.1％w/v)，最后再加入1mL去离子水稀释得到前驱体溶液。最优地，AAm、BIS及3-APBA的摩尔比为78.5：1.5：20。

步骤(2)：将步骤(1)中配置的前驱体溶液注入空心硅胶管(内径：250-1000μm)，在紫外灯下聚合固化3-5分钟。随后采用注水喷射的方式，取出固化后的光纤。

步骤(3)：将步骤(2)中得到的光纤浸泡在含有羧基活化剂(EDC,碳二亚胺)的酸性溶液(pH范围4-6)，使得GNPs表面修饰的羧基基团与聚合链上的氨基基团发生共价键合反应，浸泡时间为9-12小时。