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Jan 18, 2024

Sensore di glucosio con indice di rifrazione a fibra ottica rastremato ultrasensibile

Scientific Reports volume 13,

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 4495 (2023) Citare questo articolo

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I sensori dell'indice di rifrazione (RI) sono di grande interesse per il biosensing ottico senza etichetta. Un sensore RI in fibra ottica rastremata (TOF) con diametri di vita di dimensioni micron può migliorare notevolmente la sensibilità del sensore riducendo il volume della modalità su una lunga distanza. In questo caso viene utilizzato un metodo semplice e veloce per fabbricare sensori dell'indice di rifrazione altamente sensibili basati sulla risonanza plasmonica superficiale localizzata (LSPR). Due TOF (l = 5 mm) con diametro della vita di 5 µm e 12 µm hanno dimostrato un miglioramento della sensibilità a λ = 1559 nm per il rilevamento del glucosio (5-45% in peso) a temperatura ambiente. La trasmissione della potenza ottica diminuisce con l'aumentare della concentrazione di glucosio a causa dell'interazione della luce che si propaga nel campo evanescente con le molecole di glucosio. Il rivestimento del TOF con nanoparticelle d'oro (AuNP) come strato attivo per il rilevamento del glucosio ha generato LSPR attraverso l'interazione dell'onda evanescente con AuNP depositati sulla vita affusolata. I risultati hanno indicato che il TOF (Ø = 5 µm) ha mostrato prestazioni di rilevamento migliorate con una sensibilità del 1265%/RIU rispetto al TOF (Ø = 12 µm) al 560%/RIU verso il glucosio. Gli AuNP sono stati caratterizzati utilizzando la microscopia elettronica a scansione e la spettroscopia ultraviolenta-visibile. Il TOF decorato con AuNP (Ø = 12 µm) ha dimostrato un'elevata sensibilità del 2032%/RIU verso il glucosio. Il sensore TOF decorato con AuNP ha mostrato un miglioramento della sensibilità di quasi 4 volte rispetto al TOF (Ø = 12 µm) con RI compreso tra 1,328 e 1,393. Il TOF fabbricato ha consentito il rilevamento ultrasensibile del glucosio con buona stabilità e risposta rapida che potrebbe portare a biosensori ultrasensibili di prossima generazione per applicazioni nel mondo reale, come la diagnosi delle malattie.

Una delle maggiori sfide della medicina moderna è lo sviluppo di tecnologie economicamente vantaggiose in grado di diagnosticare una malattia in modo tempestivo e accurato e non influenzate dalle interferenze elettromagnetiche (EMI). Il sensore ottico senza etichetta offre un approccio promettente al rilevamento biochimico in quasi tutti gli ambienti, compresi quelli con EMI1,2,3. La maggior parte degli eventi leganti, come l'ibridazione del DNA, il riconoscimento dell'anticorpo-antigene, le reazioni chimiche e i cambiamenti nella concentrazione, solitamente portano a cambiamenti nell'ambiente circostante il sensore ottico e sono noti per modificare l'indice di rifrazione dell'ambiente di rilevamento (RI). Inoltre, questo cambiamento nell'RI può riflettere quantitativamente la capacità di rilevamento dei biosensori. Pertanto, misurare i piccoli cambiamenti nell'IR che possono derivare da un processo biochimico è fondamentale per il rilevamento dei biomarcatori4,5. I sensori RI basati su fibra ottica sono caratterizzati come privi di etichetta e con una varietà di configurazioni. I sensori RI a base di fibra più comuni sono le strutture a reticolo di Bragg (FBG)6, i reticoli a lungo periodo (LPG) che formano un interferometro di Mach-Zehnder7, i microinterferometri basati sull'attacco chimico8 e le fibre microstrutturate9 e la fibra ottica conica10.

Il materiale della fibra ottica è solitamente la silice, che è atossica, ecologica e molto più resistente alla corrosione rispetto alla maggior parte dei materiali, essendo quindi un buon candidato per il rilevamento in ambienti difficili. Le fibre ottiche offrono un'eccellente versatilità di rilevamento poiché possono essere decorate con vari materiali (polimeri, nanomateriali, ecc.) o semplicemente modificando la configurazione della fibra (interferometro, optrodo, modalità galleria sussurrante, ecc.). Recentemente, le fibre ottiche rastremate (TOF) hanno attirato molta attenzione grazie alla loro facilità di fabbricazione e alle proprietà ottiche migliorate11,12,13. TOF produce un'intensità ottica notevolmente elevata su una lunga distanza, da diversi millimetri a pochi centimetri. La lunga durata dell'interazione e l'elevata intensità del TOF possono migliorare l'interazione luce-materia, aumentando così la sensibilità del sensore. Sebbene esistano vari approcci per fabbricare i TOF, come illustrato nella Tabella 1, il metodo di spazzolatura a fiamma è il più utilizzato, in cui una fibra ottica di vetro monomodale o multimodale con il rivestimento rimosso viene riscaldata al centro della fibra mentre contemporaneamente si allunga la fibra ad entrambe le estremità per produrre una "vita" simmetrica nella fibra10. Questo è l'approccio più semplice ed economico per fabbricare un TOF.