中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近年來(lái)，越來(lái)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，其典型指標為患者的血糖濃度在餐后2小時(shí)高于7.7 mmol/L。目前，為了實(shí)現對患者血糖水平的有效監測，相關(guān)研究已經(jīng)提出了幾種基于特殊干涉結構的表面等離子共振（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(jìn)行監測時(shí)，仍然存在葡萄糖溶液濃度與溫度測量之間的串擾問(wèn)題，從而影響了測量結果的準確性。此外，大多數葡萄糖傳感器是點(diǎn)監測系統，這使得監測血糖濃度的整體分布很困難。因此，亟需開(kāi)發(fā)一個(gè)有效的血糖濃度監測系統。
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光纖傳感器的微流控芯片，用于實(shí)時(shí)監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(huì )對微流控芯片通道內的流場(chǎng)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(chǎng)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(jìn)行了設計，并在一定的流速下進(jìn)行了仿真分析。仿真結果顯示，相比于其他類(lèi)型探頭，當流體流過(guò)半球罩形探頭（HCSP）和錐形探頭時(shí)，流場(chǎng)恢復速度更快。此外，采用低成本的光纖端面點(diǎn)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、錐形四種探頭結構在內的仿真分析示意圖；（b）流場(chǎng)分布
該研究所制備的微流控芯片中設置了兩條寬度為600 μm的通道作為葡萄糖溶液和去離子水的流入通道。該通道與中央反應池相連，以保證葡萄糖溶液和去離子水均勻混合。通過(guò)控制流速和流入時(shí)間，可以控制混合后的葡萄糖溶液濃度。此外，將多個(gè)光纖傳感器探頭連接到高速光纖光柵解調器上，利用相干光源可以實(shí)現葡萄糖溶液溫度和濃度的實(shí)時(shí)監測。
圖2 （a）微流控芯片設計示意圖；（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(chǎng)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系統示意圖
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(zhù)溫度的升高逐漸向長(cháng)波方向偏移。為了更詳細地揭示波長(cháng)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(cháng)。對各溫度下的干涉傾角的平均中心波長(cháng)進(jìn)行線(xiàn)性擬合，結果顯示，在32℃~37℃溫度范圍內，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果顯示，在0.2 g/L~1.2 g/L范圍內，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；（b）HCSP-1的溫度響應；（c）HCSP-2和HCSP-3的溫度響應；
（d）FP干涉反射譜的濃度響應；（e）HCSP-1的濃度響應；（f）HCSP-2和HCSP-3的濃度響應
隨后，研究人員對該微流控芯片的檢測穩定性和重復性進(jìn)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(dòng)外，干涉傾角穩定。因此，該微流控芯片具有良好的穩定性和重復性。
圖5 （a）HCSP-1在30°C~40°C時(shí)的穩定性試驗；（b）HCSP-1在30°C~40°C時(shí)的重復性試驗
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(shí)時(shí)監測葡萄糖溶液溫度和濃度，具有低成本、高性能的特點(diǎn)，有利于藥物發(fā)現、病理研究和材料科學(xué)研究。
