超高感度テーパー型光ファイバー屈折率グルコースセンサー

Scientific Reports volume 13、記事番号: 4495 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

屈折率 (RI) センサーは、ラベルフリーの光学バイオセンシングにとって非常に興味深いものです。ミクロンサイズのウエスト直径を備えたテーパー光ファイバー (TOF) RI センサーは、長距離にわたってモードボリュームを低減することでセンサーの感度を大幅に向上させることができます。ここでは、局在表面プラズモン共鳴 (LSPR) に基づいた高感度の屈折率センサーを製造するために、簡単かつ迅速な方法が使用されます。ウエスト直径が 5 µm と 12 µm の 2 つの TOF (l = 5 mm) は、室温でのグルコースセンシング (5 ～ 45 wt%) について、λ = 1559 nm で感度の向上を実証しました。エバネッセント場内の伝播光とグルコース分子との相互作用により、グルコース濃度が増加すると光パワー透過率が減少した。グルコースセンシング用の活性層として金ナノ粒子（AuNP）でTOFをコーティングすると、テーパーウエストに堆積したAuNPとエバネッセント波の相互作用を通じてLSPRが生成されました。結果は、グルコースに対して、TOF (Ø = 5 µm) が 560%/RIU の TOF (Ø = 12 µm) と比較して、1265%/RIU の感度でセンシング性能が向上していることを示しました。 AuNP は、走査型電子顕微鏡と紫外可視分光法を使用して特性評価されました。 AuNP で修飾された TOF (Ø = 12 µm) は、グルコースに対して 2032%/RIU の高い感度を示しました。 AuNPs で装飾された TOF センサーは、RI が 1.328 ～ 1.393 の範囲で、TOF (Ø = 12 µm) に比べてほぼ 4 倍の感度向上を示しました。作製された TOF により、良好な安定性と高速応答を備えた超高感度グルコース検出が可能になり、疾患診断などの実世界のアプリケーション向けの次世代超高感度バイオセンサーにつながる可能性があります。

現代医学の最大の課題の 1 つは、電磁干渉 (EMI) の影響を受けずに、タイムリーかつ正確な方法で病気を診断できる、費用対効果の高い技術を開発することです。ラベルフリーの光学センサーは、EMI1、2、3 を含むほぼすべての環境における生化学センシングへの有望なアプローチを提供します。 DNA ハイブリダイゼーション、抗体抗原認識、化学反応、濃度変化などのほとんどの結合イベントは、通常、光センサーの周囲環境の変化を引き起こし、センシング環境の屈折率 (RI) を変化させることが知られています。さらに、この RI の変化は、バイオセンサーの検出能力を定量的に反映することができます。したがって、生化学プロセスに起因する可能性のある RI の小さな変化を測定することは、バイオマーカー検出にとって重要です 4,5。光ファイバーベースの RI センサーは、ラベル不要でさまざまな構成が特徴です。最も一般的なファイバーベースの RI センサーは、ブラッググレーティング (FBG) 構造 6、マッハツェンダー干渉計 7 を形成する長周期グレーティング (LPG)、化学エッチング 8 に基づくマイクロ干渉計、微細構造ファイバー 9、およびテーパー光ファイバー 10 です。

光ファイバーの材料は通常シリカであり、無毒で環境に優しく、ほとんどの材料よりも耐腐食性が高いため、過酷な環境でのセンシングに適しています。光ファイバーは、さまざまな材料 (ポリマー、ナノマテリアルなど) で装飾したり、ファイバー構成 (干渉計、オプトロード、ささやきギャラリーモードなど) を変更するだけで、優れたセンシングの多用途性を実現します。最近、テーパー光ファイバー (TOF) は、製造が容易であり、光学特性が向上しているため、大きな注目を集めています 11、12、13。 TOF は、数ミリメートルから数センチメートルまでの長距離にわたって非常に高い光強度を生成します。 TOF の長い相互作用長と高強度により光と物質の相互作用が強化され、センサーの感度が向上します。 TOFの製造にはさまざまなアプローチがありますが、表1に示すように、フレームブラッシング法が最もよく使用されています。この方法では、クラッドを除去したシングルモードまたはマルチモードのガラス光ファイバをファイバの中心で加熱しながら、同時にファイバを引き伸ばします。ファイバーの両端に対称的な「ウエスト」を形成します10。これは、TOF を製造するための最も簡単で低コストのアプローチです。