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Jan 18, 2024

초감각 테이퍼형 광섬유 굴절률 포도당 센서

과학 보고서 13권,

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 4495(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

굴절률(RI) 센서는 라벨 없는 광학 바이오센싱에 큰 관심을 끌고 있습니다. 미크론 크기의 허리 직경을 가진 테이퍼형 광섬유(TOF) RI 센서는 장거리에 걸쳐 모드 볼륨을 줄여 센서 감도를 획기적으로 향상시킬 수 있습니다. 여기서는 국부 표면 플라즈몬 공명(LSPR)을 기반으로 하는 고감도 굴절률 센서를 제작하기 위해 간단하고 빠른 방법을 사용합니다. 허리 직경이 5μm 및 12μm인 2개의 TOF(l = 5mm)는 실온에서 포도당 감지(5~45wt%)에 대해 λ = 1559nm에서 감도 향상을 보여주었습니다. 감산 장에서 전파되는 빛과 포도당 분자의 상호 작용으로 인해 포도당 농도가 증가함에 따라 광 전력 전송이 감소했습니다. 포도당 감지를 위한 활성층으로 금 나노입자(AuNP)로 TOF를 코팅하면 감소파와 테이퍼진 허리에 증착된 AuNP의 상호 작용을 통해 LSPR이 생성됩니다. 결과는 TOF(Ø = 5 µm)가 포도당에 대해 560%/RIU의 TOF(Ø = 12 µm)에 비해 1265%/RIU의 감도로 향상된 감지 성능을 나타냄을 나타냅니다. AuNP는 주사 전자 현미경과 자외선 가시 분광법을 사용하여 특성화되었습니다. AuNPs로 장식된 TOF(Ø = 12 µm)는 포도당에 대해 2032%/RIU의 높은 감도를 보여주었습니다. AuNPs로 장식된 TOF 센서는 RI 범위가 1.328~1.393인 TOF(Ø = 12μm)에 비해 거의 4배 향상된 감도를 보여주었습니다. 제작된 TOF는 우수한 안정성과 빠른 반응으로 초민감 포도당 검출을 가능하게 하여 질병 진단과 같은 실제 응용 분야를 위한 차세대 초민감 바이오센서로 이어질 수 있습니다.

현대 의학의 가장 큰 과제 중 하나는 전자기 간섭(EMI)의 영향을 받지 않고 시기적절하고 정확한 방식으로 질병을 진단할 수 있는 비용 효율적인 기술을 개발하는 것입니다. 라벨이 없는 광학 센서는 EMI1,2,3이 있는 환경을 포함하여 거의 모든 환경에서 생화학적 감지에 대한 유망한 접근 방식을 제공합니다. DNA 혼성화, 항체-항원 인식, 화학 반응 및 농도 변화와 같은 대부분의 결합 이벤트는 일반적으로 광학 센서 주변 환경의 변화를 일으키고 감지 환경 굴절률(RI)을 변경하는 것으로 알려져 있습니다. 더욱이, 이러한 RI의 변화는 바이오센서의 검출 능력을 정량적으로 반영할 수 있습니다. 따라서 생화학적 과정으로 인해 발생할 수 있는 RI의 작은 변화를 측정하는 것은 바이오마커 검출에 매우 중요합니다4,5. 광섬유 기반 RI 센서는 다양한 구성을 갖춘 라벨이 없는 것이 특징입니다. 가장 일반적인 섬유 기반 RI 센서는 브래그 격자(FBG) 구조6, 마하-젠더 간섭계7를 형성하는 장주기 격자(LPG), 화학적 에칭8 기반 마이크로 간섭계8, 미세 구조 섬유9, 테이퍼 광섬유10입니다.

광섬유의 재료는 일반적으로 실리카이며, 이는 무독성이고 환경 친화적이며 대부분의 재료보다 부식에 훨씬 강하므로 열악한 환경에서 감지하기에 좋은 후보입니다. 광섬유는 다양한 재료(폴리머, 나노재료 등)로 장식하거나 단순히 광섬유 구성(간섭계, 광봉, 속삭이는 갤러리 모드 등)을 변경하여 뛰어난 감지 다양성을 제공합니다. 최근 테이퍼형 광섬유(TOF)는 제조 용이성과 향상된 광학 특성으로 인해 상당한 주목을 받고 있습니다. TOF는 수 밀리미터에서 수 센티미터에 이르는 장거리에 걸쳐 매우 높은 광학 강도를 생성합니다. TOF의 긴 상호 작용 길이와 높은 강도는 광물질 상호 작용을 향상시켜 센서의 감도를 높일 수 있습니다. TOF를 제작하는 방법에는 여러 가지가 있으나 표 1에서 보는 바와 같이 클래딩이 제거된 단일모드 또는 다중모드 유리광섬유를 섬유의 중심에서 가열하면서 동시에 섬유를 신장시키는 플레임 브러싱(Flame Brushing) 방법이 가장 많이 사용된다. 양쪽 끝에서 섬유의 대칭적인 "허리"를 생성합니다10. 이는 TOF 제작에 대한 가장 간단하고 저렴한 접근 방식입니다.