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Jan 18, 2024

Sensor de glucosa de índice de refracción de fibra óptica cónica ultrasensible

Informes científicos volumen 13,

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 4495 (2023) Citar este artículo

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Los sensores de índice de refracción (IR) son de gran interés para la biodetección óptica sin etiquetas. Un sensor RI de fibra óptica cónica (TOF) con diámetros de cintura del tamaño de una micra puede mejorar drásticamente la sensibilidad del sensor al reducir el volumen del modo en una larga distancia. Aquí, se utiliza un método simple y rápido para fabricar sensores de índice de refracción altamente sensibles basados ​​en resonancia de plasmón de superficie localizada (LSPR). Dos TOF (l = 5 mm) con diámetros de cintura de 5 µm y 12 µm demostraron una mejora de la sensibilidad a λ = 1559 nm para la detección de glucosa (5–45% en peso) a temperatura ambiente. La transmisión de potencia óptica disminuyó con el aumento de la concentración de glucosa debido a la interacción de la luz que se propaga en el campo evanescente con las moléculas de glucosa. El recubrimiento del TOF con nanopartículas de oro (AuNP) como capa activa para la detección de glucosa generó LSPR a través de la interacción de la onda evanescente con AuNP depositados en la cintura cónica. Los resultados indicaron que el TOF (Ø = 5 µm) mostró un rendimiento de detección mejorado con una sensibilidad del 1265 %/RIU en comparación con el TOF (Ø = 12 µm) al 560 %/RIU hacia la glucosa. Los AuNP se caracterizaron mediante microscopía electrónica de barrido y espectroscopía ultravioleta-visible. El TOF decorado con AuNP (Ø = 12 µm) demostró una alta sensibilidad de 2032%/RIU hacia la glucosa. El sensor TOF decorado con AuNP mostró una mejora de la sensibilidad de casi 4 veces sobre TOF (Ø = 12 µm) con un rango de RI de 1,328 a 1,393. El TOF fabricado permitió la detección de glucosa ultrasensible con buena estabilidad y respuesta rápida que puede conducir a biosensores ultrasensibles de próxima generación para aplicaciones del mundo real, como el diagnóstico de enfermedades.

Uno de los mayores desafíos de la medicina moderna es desarrollar tecnologías rentables que puedan diagnosticar una enfermedad de manera oportuna y precisa y que no se vean afectadas por la interferencia electromagnética (EMI). El sensor óptico sin etiquetas ofrece un enfoque prometedor para la detección bioquímica en casi cualquier entorno, incluidos aquellos con EMI1,2,3. La mayoría de los eventos de unión, como la hibridación del ADN, el reconocimiento de anticuerpos y antígenos, las reacciones químicas y los cambios en la concentración, generalmente conducen a cambios en el entorno circundante del sensor óptico y se sabe que cambian el índice de refracción (IR) del entorno de detección. Además, este cambio en RI puede reflejar cuantitativamente la capacidad de detección de los biosensores. Por lo tanto, medir los pequeños cambios en IR que pueden resultar de un proceso bioquímico es fundamental para la detección de biomarcadores4,5. Los sensores RI basados ​​en fibra óptica se caracterizan por no tener etiquetas, con una variedad de configuraciones. Los sensores RI basados ​​en fibra más comunes son las estructuras de rejilla de Bragg (FBG)6, las rejillas de período largo (LPG) que forman un interferómetro de Mach-Zehnder7, los microinterferómetros basados ​​en grabado químico8, las fibras microestructuradas9 y la fibra óptica cónica10.

El material de la fibra óptica suele ser sílice, que no es tóxico, es ecológico y mucho más resistente a la corrosión que la mayoría de los materiales, por lo que es un buen candidato para la detección en entornos hostiles. Las fibras ópticas brindan una excelente versatilidad de detección donde se pueden decorar con varios materiales (polímeros, nanomateriales, etc.) o simplemente cambiando la configuración de la fibra (interferómetro, optrode, modo de galería susurrante, etc.). Recientemente, las fibras ópticas cónicas (TOF) han atraído una atención significativa debido a su facilidad de fabricación y propiedades ópticas mejoradas11,12,13. TOF produce una intensidad óptica notablemente alta a larga distancia, desde varios milímetros hasta unos pocos centímetros. La larga duración de la interacción y la alta intensidad del TOF pueden mejorar la interacción luz-materia, aumentando así la sensibilidad del sensor. Aunque existen varios enfoques para la fabricación de TOF, como se ilustra en la Tabla 1, el método de cepillado con llama es el más utilizado, en el que una fibra óptica de vidrio monomodo o multimodo sin el revestimiento se calienta en el centro de la fibra mientras se estira simultáneamente la fibra. en ambos extremos para producir una "cintura" simétrica en la fibra10. Este es el enfoque más sencillo y de bajo costo para fabricar un TOF.

Además, se ha demostrado que los TOF contienen menos de 100 fotones a la vez en la región de interacción (ahusada) utilizando espectroscopia no lineal de nivel de potencia ultrabajo14. Esta baja dosis de radiación también puede reducir el riesgo de daño de la muestra en el entorno de detección. Otra ventaja clave del uso de TOF es que son muy estables a lo largo del tiempo y pueden autolimpiarse mediante un movimiento fluido15. Se han informado sistemas TOF para detección bioquímica16,17,18,19,20,21,22,23. Además, se ha informado que la funcionalización de nanopartículas en TOF mejora la propiedad del sensor RI basado en fibra óptica mediante la creación de resonancia plasmónica de superficie localizada (LSPR) que involucra los electrones en las nanopartículas para oscilar el acoplamiento a la onda evanescente, lo que resulta en un cambio significativo en índice de refracción24. Se ha informado que diferentes tipos de nanopartículas, como oro y plata25,26, nanopartículas magnéticas27,28, nanopartículas basadas en carbono29,30, nanopartículas de látex31 y nanopartículas basadas en liposomas32 mejoran la señal de resonancia plasmónica superficial para la detección de analitos objetivo. Los AuNP se utilizan ampliamente para funcionalizar TOF debido a su fuerte inducción de resonancia plasmónica superficial y su biocompatibilidad. Además, las AuNP son estables y resistentes a la oxidación, lo que las hace más duraderas para aplicaciones a largo plazo. Lin et al.17 demostraron un sensor TOF de resonancia de superficie localizada utilizando AuNP. Se logró un diámetro de cintura de 48 μm y una longitud de 1,25 mm y luego se decoró con AuNP. Se notificó una sensibilidad del 380 %/RIU con un RI que oscilaba entre 1,333 y 1,403. Tai y Wei33 demostraron una sensibilidad de intensidad de hasta 8000 %/RIU utilizando una punta de fibra cónica para mejorar aún más la sensibilidad de los sensores de fibra óptica gracias a la punta nanométrica. Los sensores de índice de refracción de fibra cónica muestran una excelente sensibilidad con un tiempo de respuesta rápido en el cambio local del índice de refracción en tiempo real, lo que tiene un enorme potencial para la biodetección sin etiquetas.

Los esfuerzos de investigación con sensores RI basados ​​en TOF han dado como resultado dispositivos con sensibilidad y reproducibilidad variadas. Para superar esta limitación, este documento examina diferentes diámetros de cintura cónica con una longitud de cintura larga y el acoplamiento de AuNP en la región de cintura cónica para aprovechar el campo evanescente para mejorar la eficacia del acoplamiento de luz y, por lo tanto, la sensibilidad. Se fabricaron dos sensores TOF RI con una longitud de cintura más extendida (l = 5 mm) y diámetros de cintura más pequeños de 5 µm y 12 µm para la detección de glucosa. El diámetro de la cintura es fundamental para mejorar la sensibilidad de TOF. El TOF (Ø = 5 µm) exhibe una capacidad de detección de glucosa significativamente mejorada en comparación con el TOF (Ø = 12 µm). Sin embargo, el TOF (Ø = 12 µm) se puede fabricar fácilmente y es muy duradero. Se prepararon AuNP y se usaron para decorar la superficie del TOF (Ø = 12 µm) para mejorar la sensibilidad. Se utilizó una potencia de menos de 100 nW para la detección de RI de glucosa. Esta detección de potencia ultrabaja proporcionó evidencia experimental para la detección sensible de TOF RI en longitudes de onda más largas (1559 nm) con una sensibilidad de 2032 %/RIU hacia la glucosa con un rango de RI lineal de 1,328–1,393. Esto se debe a las características únicas de las AuNP, como su absorción óptica y su área de superficie específica, para mejorar la interacción luz-materia. La detección en la longitud de onda más larga mostró una sensibilidad excelente en el LSPR tal como se fabricó y en otros sistemas SPR informados34,35. Los sensores TOF pueden servir como candidatos prometedores para el monitoreo de glucosa no invasivo en las industrias de atención médica y bioprocesamiento36,37,38,39.

La configuración experimental se muestra en la Fig. 1. La región de detección de TOF se suspendió sobre el suelo del cañón y se sumergió por completo en el analito objetivo. La luz de entrada (Fuente de prueba de luz blanca Thorlabs ASE-FL7002, 1530–1610 nm) se propagó a través del TOF a través de un atenuador óptico y controladores de polarización. La salida de luz se acopló a un analizador de espectro óptico (analizador de espectro óptico por transformada de Fourier Thorlabs OSA203C, 1,0–2,6 µm). El TOF comprendía una región de transición con un perfil cónico lineal suave y un pequeño diámetro de cintura uniforme (Ø = 5 µm o Ø = 12 µm). Se prepararon una serie de soluciones acuosas de glucosa con proporciones de masa que oscilaban entre 0 y 45% en peso. Se obtuvo el RI correspondiente a 1559 nm.

Configuración experimental para la detección de glucosa.

La Figura 2A muestra el espectro de absorción UV-Vis de las AuNP cubiertas con citrato en agua. Durante la síntesis de AuNP, el citrato reduce Au (III) a Au. Los AuNP exhiben un fuerte pico de absorción a 524 nm. El pico de absorbancia sugiere que las AuNP tienen un tamaño aproximado de 24 a 33 nm y concuerda con informes anteriores40,41,42. La Figura 2B muestra la imagen de microscopía electrónica de barrido (SEM) del TOF desnudo y el sensor TOF RI decorado con AuNP para confirmar la quimisorción de AuNP.

(A) Espectros UV-Vis de las nanopartículas de oro sintetizadas (AuNP). (B) Microscopía electrónica de barrido (SEM) de TOF desnudo y decorado con AuNP.

El análisis comparativo de los datos de espectros ópticos indica que los dos TOF con diámetros de cintura de 5 µm (Fig. 3A) y 12 µm (Fig. 3B) imparten la potencia de salida del sensor RI. La respuesta de potencia de salida para los TOF desnudos se observa en el rango de longitud de onda del infrarrojo cercano (NIR) de 1520 a 1630 nm. Tras la exposición a varias concentraciones de glucosa (5-45% en peso), la respuesta de producción de potencia disminuye con el aumento de las concentraciones de glucosa. La tendencia observada concuerda con reportes previos para otras biomoléculas40,41. Los espectros ópticos se procesaron integrando el área bajo la curva de salida de potencia para generar las curvas de intensidad de potencia normalizadas correspondientes que se muestran en la Fig. 3C,D. En la longitud de onda máxima de 1559 nm, la disminución de la intensidad se puede observar claramente para cada concentración de glucosa. No se observó ningún cambio insignificante en los espectros después de cambiar la polarización de la luz. Esto indica que la detección TOF RI es insensible a la polarización, lo que la hace más práctica43.

Espectros ópticos de sensores TOF desnudos en diferentes fracciones de masa de soluciones de glucosa. (A) TOF (Ø = 5 μm de diámetro) y (B) TOF (Ø = 12 μm de diámetro). (C,D) Espectros de intensidad normalizados correspondientes.

El TOF con un diámetro de cintura más grande exhibió una mejor confiabilidad con una sensibilidad reducida. Por lo tanto, para mejorar la sensibilidad, las AuNP se recubrieron en la superficie de la cintura de la fibra. A partir de los espectros TOF decorados con AuNP (Ø = 12 µm) (Fig. 4A), se observa que la salida inicial del sensor en glucosa es alta debido al recubrimiento de AuNP. Esto se atribuye al área de superficie inherentemente alta de los AuNP y el LSPR, que mejoran la interacción de las moléculas de glucosa con la región de detección, alterando así drásticamente el campo evanescente. La profundidad de penetración del campo evanescente mejorada está modulada por el RI y permite una potencia de salida más intensa que los TOF desnudos. A medida que disminuye el RI, la profundidad de penetración de la onda evanescente en la superficie disminuye, lo que da como resultado una pequeña interacción entre el campo evanescente y las moléculas de glucosa y una salida de potencia pequeña en el espectro de detección. Las curvas de intensidad de potencia normalizadas correspondientes en la Fig. 4B muestran que el recubrimiento de AuNP mejora significativamente la sensibilidad del sensor TOF RI y representa además la aparición de la interacción de la molécula de glucosa con la región de detección. La Figura 5 muestra la curva de calibración para los sensores TOF desnudos y TOF decorados con AuNP. El TOF de diámetro de cintura más pequeño (Ø = 5 µm) exhibió una sensibilidad de 1265 %/RIU en comparación con el 560 %/RIU para TOF (Ø de cintura = 12 µm) a λ = 1559 nm, como se muestra en la Fig. 5A. La mayor sensibilidad hacia la glucosa se observó debido a las interacciones mejoradas del campo evanescente con la glucosa logradas con el TOF de diámetro de cintura más pequeño. La sensibilidad de intensidad del sensor TOF viene dada por33:

(A) Espectros ópticos del sensor TOF decorado con AuNP (Ø = 12 μm de diámetro) en diferentes fracciones de masa de soluciones de glucosa y (B) Espectros de intensidad normalizados correspondientes.

(A) Cambios de intensidad de potencia frente al índice de refracción de TOF desnudos (rojo y azul) y TOF decorados con AuNP en λ = 1559 nm. (B) Comparación de la sensibilidad de los sensores TOF RI.

Se observó una sensibilidad de 2032% RIU a λ = 1559 nm para el TOF decorado con AuNP (Fig. 5A), lo que representa un aumento en un factor de ~ 4 en comparación con el TOF desnudo. Los AuNP generan una señal LSPR con alta sensibilidad para detectar ligeros cambios en la reacción. Sin embargo, el sensor TOF decorado con AuNP se saturó al 30% en peso de glucosa, en el que desaparece el pico a 1559 nm. Esto puede deberse a que las moléculas de glucosa se adsorben en la región de detección. En general, el TOF decorado con AuNP generó cambios de potencia de salida más considerables que el TOF desnudo. La mejora de la sensibilidad abarca un amplio rango de espectro (1540–1610 nm) y es uniforme. Además, el rendimiento óptico del sensor TOF fabricado se comparó con otros sensores RI basados ​​en fibra óptica probados en varios analitos, como se resume en la Tabla 2.

A medida que el RI medido cambió de 1,32 a 1,40, el cambio en la intensidad de la luz fue más significativo, lo que indica que los AuNP pueden producir una mejora de la sensibilidad para los sensores TOF RI. Los AuNP también permiten más áreas de contacto para que las moléculas de glucosa interactúen en la superficie del sensor. Se observó un rango de RI lineal de 1,34 a 1,40 (r2 = 0,9254) para TOF (Ø = 12 µm) y un rango lineal más amplio de 1,32 a 1,40 (r2 = 0,9940) para TOF (Ø = 5 µm) . Se observó un rango lineal similar de 1.328–1.393 (r2 = 0.9781) para los TOF decorados con AuNP y concuerda o supera los sensores RI de fibra óptica informados recientemente17,44. Una fibra de heteronúcleo exhibió una sensibilidad de intensidad de 57,2 %/RIU dentro de un rango de 1,334–1,377, y una fibra de heteronúcleo basada en nanohojas MXene demostró una sensibilidad de 510,1 %/RIU con un rango de 1,334–1,37744. Por lo tanto, el sensor TOF RI decorado con AuNP mejora el campo evanescente para detectar el cambio de RI en el entorno de detección, lo que hace que el sensor sea ideal para la detección de glucosa. La figura 5B compara la sensibilidad de los sensores TOF RI a 1559 nm y 1590 nm. Estas sensibilidades uniformes indican que el sensor TOF RI decorado con AuNP es una buena opción para la detección bioquímica a 1559 nm y 1590 nm.

En resumen, describimos y demostramos el uso de TOF como sensores RI para detectar diversas concentraciones de glucosa. A medida que la concentración de glucosa aumentaba del 5 al 45% en peso, la intensidad de salida de potencia del sensor disminuía en consecuencia. Además, la sensibilidad del TOF desnudo está muy relacionada con su diámetro y es insensible a la polarización de la luz, lo que es ideal para aplicaciones del mundo real. El sensor TOF desnudo (Ø = 5 µm) demostró mejores capacidades de detección que el TOF desnudo (Ø = 12 µm). Logramos una sensibilidad de intensidad de 1265%/RIU sobre el rango de RI de 1.328–1.393. Al decorar el TOF (Ø = 12 µm) con AuNP, la sensibilidad del sensor aumentó ~ 4 veces, aunque el rango de RI lineal disminuyó ligeramente. La sensibilidad fue de 2032 %/RIU sobre el rango de RI de 1,328–1,379. Cuanto más pequeño era el TOF del diámetro de la cintura, más sensible era el sensor a los cambios en el entorno bioquímico. Y la decoración de AuNP en la superficie TOF dio como resultado una mejora de la sensibilidad debido a la alta relación superficie-volumen habilitada por los AuNP para la adsorción de biomoléculas y la generación de resonancia de plasmones de superficie localizada. El método de preparación TOF (Ø = 12 µm) es simple, robusto, reproducible y se puede decorar fácilmente con nanomateriales para mejorar la capacidad de detección. Sin embargo, el sensor de fibra cónica del tamaño de una micra es excepcionalmente frágil y será necesario mejorar su resistencia mecánica para las aplicaciones del mundo real. El trabajo futuro explorará formas de empaquetar el sensor TOF RI para detectar eventos de biorreconocimiento en procesos bioquímicos.

El TOF fue fabricado por el método de calor y tracción45. Brevemente, el recubrimiento de fibra en los dos extremos y la parte media de una fibra óptica estándar disponible en el mercado (Thorlabs1060XP, fibra óptica monomodo, 980–1600 nm, rendimiento extra alto, revestimiento de Ø125 µm, núcleo de Ø5,8 µm) fue cuidadosamente Se retira y se limpia con acetona. Se colocó una llama de mezcla de aire y propano debajo de la fibra desnuda, como se muestra en la Fig. 6. Los extremos de la fibra desnuda se colocaron en soportes de fibra (fibras Newport de 125 µm, serie 561) y se jalaron mediante dos etapas lineales Aerotech Pro115SL controladas por controladores A3200 para lograr una longitud de detección de 5 mm. La transmisión de la fibra fue monitoreada simultáneamente durante la tracción. El TOF fabricado se montó en una plantilla de teflón con forma de cañón hecha a medida, y la región de detección se limpió con acetona, seguido de un enjuague con agua desionizada ultrapura (DI)13. El cañón contiene el líquido de detección (volumen total = 2 ml).

Ilustración esquemática del método de calor y tracción para fabricar la fibra óptica cónica.

Como informaron previamente Ma et al.40, las nanopartículas de oro se sintetizaron mediante un método químico, como se ilustra en la Fig. 7. Todo el material de vidrio se limpió con agua regia recién preparada (HCl:HNO3, 3:1). La solución precursora se preparó utilizando 0,01 g de trihidrato de cloruro de oro (III) (HAuCl4·3H2O) disueltos en 100 mL de agua DI (18,2 MΩ·cm) y se llevó a ebullición bajo agitación constante con un agitador magnético en una placa caliente. Inmediatamente después de la ebullición, se añadieron rápidamente 3,2 ml de solución de citrato trisódico (Na3C6H5O7) al 1 % en peso y se agitó durante 10 min. El Na3C6H5O7 sirve como agente reductor y de protección en la síntesis de nanopartículas. El color de la solución cambió de amarillo a vino tinto durante este período, lo que significa la rápida reducción del oro. La solución de reacción se dejó enfriar a temperatura ambiente. Los AuNP obtenidos se centrifugaron y resuspendieron en agua DI y se almacenaron a 4 ° C cuando no se usaron. Los espectros UV-Vis de las muestras de AuNP se registraron mediante espectroscopia de absorción UV-Vis (lector de microplacas Spectra Max M5, Molecular Devices, LLC.).

Síntesis de nanopartículas de oro (AuNP) por el método de reducción de citrato de sodio.

Posteriormente, la fibra TOF fue funcionalizada por el método del proceso de salinización47. La región de detección del TOF se limpió con acetona, seguido de un enjuague con agua DI. Después del secado, la región de detección se sumergió en una solución de piraña recién preparada (H2SO4:H2O2, 3:1) durante 30 min y se enjuagó minuciosamente con agua desionizada antes de secarla a 90 °C durante 30 min. Tras el secado, el TOF se trató con una solución al 1 % (v/v) de 3-aminopropiltrietoxisilano (APTES) en etanol durante 24 h a temperatura ambiente. El TOF funcionalizado con APTES se enjuagó con etanol, seguido de un enjuague con agua DI para eliminar cualquier APTES no unido y se secó al aire. El TOF funcionalizado se incubó en 2 ml de la solución de AuNP sintetizada durante 8 h a temperatura ambiente para formar una capa de AuNP en la región de detección de TOF. El TOF decorado con AuNP se enjuagó con agua DI y se usó para la detección de RI. El uso de organosilanos da como resultado una monocapa muy robusta de integración de nanopartículas metálicas sobre la fibra óptica cónica basada en la quimisorción de nanopartículas48.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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La investigación presentada en este artículo fue apoyada por el Premio de la Fundación Nacional de Ciencias 1921363 y 1921364. Los autores agradecen al personal de Micron-NSU Nanofabrication Cleanroom y al Dr. Sangram Pradhan y al Dr. Messaoud Bahoura en el Marie V. McDemmond Center for Applied Research (MCAR ) por su ayuda en la caracterización del material.

Estos autores contribuyeron por igual: Erem Ujah y Meimei Lai.

Centro de Bioelectrónica, Universidad Old Dominion, Norfolk, VA, 23508, EE. UU.

Erem Ujah, Meimei Lai y Gymama Slaughter

Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, Old Dominion University, Norfolk, VA, 23508, EE. UU.

Masacre de Erem Ujah y Gymama

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GS y ML concibieron la idea; ML y EU fabricaron las fibras ópticas cónicas, realizaron los experimentos ópticos y recopilaron los resultados; ML, UE y GS, participó en el análisis de datos y escribió el manuscrito. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Gymama Slaughter.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Ujah, E., Lai, M. & Slaughter, G. Sensor de glucosa de índice de refracción de fibra óptica cónica ultrasensible. Informe científico 13, 4495 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31127-4

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Recibido: 26 enero 2023

Aceptado: 07 de marzo de 2023

Publicado: 18 de marzo de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-31127-4

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