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    利用蜘蛛絲制備光纖傳感器,可用于檢測血糖和其他生化分析物

    2022-08-11 10:50 MEMS

    導讀:為了提高光纖傳感器的生物相容性,天然蜘蛛絲因其獨特的機械和光學性能而受到越來越多的關注。

    基于表面等離子體共振(surface plasmon resonance,SPR)的光纖傳感器電磁場衰減距離短、受溫度波動的影響小,同時它還具有設計簡單、對糖相互作用靈敏度高等特征。為了提高光纖傳感器的生物相容性,天然蜘蛛絲因其獨特的機械和光學性能而受到越來越多的關注。

    由于蜘蛛絲具有良好的彈性、抗拉強度、生物降解性以及生物相容性,在生物醫學領域已使用蜘蛛絲制備了各類光學元件。但是,制備成本效益高、靈敏度高、結構緊湊的蜘蛛絲光纖傳感器用于檢測糖濃度,還有待進一步研究。

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    據麥姆斯咨詢報道,近日,臺灣陽明交通大學、臺灣儀器科技研究中心和臺北醫學大學的研究人員在Biomedical Optics Express發表了以“Biocompatible spider silk-based metal-dielectric fiber optic sugar sensor”為主題的研究論文。該研究論文的通訊作者為臺灣陽明交通大學生物醫學工程學院的Cheng-Yang Liu。在這項研究中,研究人員利用蜘蛛絲的光導特性開發了一種傳感器,可以檢測和測量生物溶液(包括葡萄糖和其他類型的糖溶液)折射率的微小變化。這種新型光傳感器未來有望用于血糖和其他生化分析物的測量和檢測。

    由蜘蛛絲制備的高靈敏度光纖糖傳感器

    這項研究利用涂覆金屬納米層的蜘蛛絲制備了一種高靈敏度光纖糖傳感器。蜘蛛絲直接采集自巨型木蜘蛛Nephila pilipes,這是一種天然基于蛋白質的生物聚合物,具有彈性大、損耗低、易于功能化等特征。采用傾斜角沉積技術(glancing angle deposition technique,GLAD)在基于蜘蛛絲的纖維表面涂覆了金屬納米層。這種光纖糖傳感器基于糖溶液折射率變化的原理而設計。

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    基于蜘蛛絲的光纖傳感器的制造過程及SEM圖

    研究實驗結果表明,這種光纖糖傳感器對果糖、蔗糖和葡萄糖濃度的檢測具有高靈敏度。因此這項研究工作為實現精確、靈敏的在線血糖即時診斷(point-of-care diagnostics)提供了一種新途徑。

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    基于蜘蛛絲的光纖傳感器的實驗布置圖

    此外,由于這種光纖糖傳感器結構緊湊,可以進入大腦和心臟等難以觸及的區域,因此隨著技術進一步發展,它未來也有望用于植入式醫療設備和生物醫學應用的治療策略中。

    測量結果精確且一致性高

    為了測試這種傳感器在一段時間內的可重復性和穩定性,研究人員用它在室溫下測量含有未知濃度的果糖、蔗糖和葡萄糖溶液,以5分鐘的間隔時間重復測量10次。

    同時,為了定量地確定基于蜘蛛絲的光纖傳感器性能,研究人員將該傳感器所產生的光強光譜與商用折射計所獲得的折射率測量值進行了比較。結果表明,該傳感器能夠識別溶液中糖的類型并提供濃度讀數。

    “通過實驗獲得的測量精度和傳感靈敏度表明,該傳感器可以準確估計未知糖溶液的濃度?!盋heng-Yang Liu表示,“此外,其靈敏度完全涵蓋了人類血液中所發現的糖的濃度范圍?!?/p>

    在這種傳感器能夠應用于門診或家用設備的實時測量之前,提高其準確性并增強其在環境變化下的穩定性是非常必要的,以使其使用壽命更長。

    另外,研究人員正在開發一款軟件,能夠使該傳感器與移動設備共同用于即時診斷。研究人員還期望擴展這款傳感器的功能,使其能夠用于測量人體血液中如乳糖和脂肪等不同的生化成分。

    這項研究工作獲得臺灣科技部(108-2221-E-010-012-MY3,110-2221-E-492-006,111-2221-E-A49-102-MY2)的支持。


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