Capteur de glucose à indice de réfraction à fibre optique conique ultrasensible

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 4495 (2023) Citer cet article

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Les capteurs d’indice de réfraction (RI) présentent un grand intérêt pour la biodétection optique sans étiquette. Un capteur RI à fibre optique conique (TOF) avec des diamètres de taille de l'ordre du micron peut améliorer considérablement la sensibilité du capteur en réduisant le volume de mode sur une longue distance. Ici, une méthode simple et rapide est utilisée pour fabriquer des capteurs d’indice de réfraction hautement sensibles basés sur la résonance plasmonique de surface localisée (LSPR). Deux TOF (l = 5 mm) avec des diamètres de taille de 5 µm et 12 µm ont démontré une amélioration de la sensibilité à λ = 1 559 nm pour la détection du glucose (5 à 45 % en poids) à température ambiante. La transmission de la puissance optique diminue avec l'augmentation de la concentration de glucose en raison de l'interaction de la lumière se propageant dans le champ évanescent avec les molécules de glucose. Le revêtement du TOF avec des nanoparticules d'or (AuNP) en tant que couche active pour la détection du glucose a généré du LSPR grâce à l'interaction de l'onde évanescente avec les AuNP déposés au niveau de la taille effilée. Les résultats ont indiqué que le TOF (Ø = 5 µm) présentait des performances de détection améliorées avec une sensibilité de 1 265 %/RIU par rapport au TOF (Ø = 12 µm) à 560 %/RIU envers le glucose. Les AuNP ont été caractérisés par microscopie électronique à balayage et spectroscopie ultraviolette-visible. Le TOF décoré par AuNPs (Ø = 12 µm) a démontré une sensibilité élevée de 2032 %/RIU envers le glucose. Le capteur TOF décoré AuNPs a montré une amélioration de la sensibilité de près de 4 fois par rapport au TOF (Ø = 12 µm) avec un RI allant de 1,328 à 1,393. Le TOF fabriqué a permis une détection ultrasensible du glucose avec une bonne stabilité et une réponse rapide, ce qui pourrait conduire à des biocapteurs ultrasensibles de nouvelle génération pour des applications réelles, telles que le diagnostic de maladies.

L'un des plus grands défis de la médecine moderne consiste à développer des technologies rentables capables de diagnostiquer une maladie de manière rapide et précise, sans être affectées par les interférences électromagnétiques (EMI). Le capteur optique sans étiquette offre une approche prometteuse de la détection biochimique dans presque tous les environnements, y compris ceux présentant des EMI1,2,3. La plupart des événements de liaison, tels que l'hybridation de l'ADN, la reconnaissance anticorps-antigène, les réactions chimiques et les changements de concentration, conduisent généralement à des modifications de l'environnement du capteur optique et sont connus pour modifier l'indice de réfraction (RI) de l'environnement de détection. De plus, ce changement de RI peut refléter quantitativement la capacité de détection des biocapteurs. Par conséquent, mesurer les petits changements de RI pouvant résulter d’un processus biochimique est essentiel pour la détection des biomarqueurs4,5. Les capteurs RI à fibre optique sont caractérisés comme étant sans étiquette, avec une variété de configurations. Les capteurs RI à fibre les plus courants sont les structures à réseau de Bragg (FBG)6, les réseaux à longue période (LPG) formant un interféromètre de Mach – Zehnder7, les micro-interféromètres basés sur la gravure chimique8, les fibres microstructurées9 et la fibre optique conique10.

Le matériau de la fibre optique est généralement de la silice, qui est non toxique, écologique et beaucoup plus résistante à la corrosion que la plupart des matériaux, ce qui en fait un bon candidat pour la détection dans des environnements difficiles. Les fibres optiques offrent une excellente polyvalence de détection puisqu'elles peuvent être décorées avec divers matériaux (polymères, nanomatériaux, etc.) ou simplement en changeant la configuration de la fibre (interféromètre, optrode, mode galerie chuchotée, etc.). Récemment, les fibres optiques coniques (TOF) ont attiré une attention particulière en raison de leur facilité de fabrication et de leurs propriétés optiques améliorées11,12,13. TOF produit une intensité optique remarquablement élevée sur une longue distance, de plusieurs millimètres à quelques centimètres. La longue durée d'interaction et la haute intensité du TOF peuvent améliorer l'interaction lumière-matière, augmentant ainsi la sensibilité du capteur. Bien qu'il existe différentes approches pour fabriquer des TOF, comme illustré dans le tableau 1, la méthode de brossage à la flamme est la plus utilisée, dans laquelle une fibre optique en verre monomode ou multimode dont la gaine a été retirée est chauffée au centre de la fibre tout en étirant simultanément la fibre. aux deux extrémités pour produire une « taille » symétrique dans la fibre10. Il s’agit de l’approche la plus simple et la moins coûteuse pour fabriquer un TOF.