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Jan 18, 2024

Sensor ultrassensível de glicose com índice de refração de fibra óptica cônica

Relatórios Científicos volume 13,

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 4495 (2023) Citar este artigo

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Sensores de índice de refração (RI) são de grande interesse para biossensor óptico sem rótulo. Um sensor RI de fibra óptica cônica (TOF) com diâmetros de cintura do tamanho de mícrons pode aumentar drasticamente a sensibilidade do sensor, reduzindo o volume do modo em uma longa distância. Aqui, um método simples e rápido é usado para fabricar sensores de índice de refração altamente sensíveis com base na ressonância de plasmon de superfície localizada (LSPR). Dois TOFs (l = 5 mm) com diâmetros de cintura de 5 µm e 12 µm demonstraram aumento da sensibilidade em λ = 1559 nm para detecção de glicose (5–45% em peso) à temperatura ambiente. A transmissão de potência óptica diminuiu com o aumento da concentração de glicose devido à interação da propagação da luz no campo evanescente com as moléculas de glicose. O revestimento do TOF com nanopartículas de ouro (AuNPs) como uma camada ativa para detecção de glicose gerou LSPR através da interação da onda evanescente com AuNPs depositados na cintura cônica. Os resultados indicaram que o TOF (Ø = 5 µm) apresentou melhor desempenho de detecção com uma sensibilidade de 1265%/RIU em comparação com o TOF (Ø = 12 µm) a 560%/RIU em relação à glicose. As AuNPs foram caracterizadas por microscopia eletrônica de varredura e espectroscopia ultraviolento-visível. O TOF decorado com AuNPs (Ø = 12 µm) demonstrou uma alta sensibilidade de 2032%/RIU em relação à glicose. O sensor TOF decorado com AuNPs mostrou um aumento de sensibilidade de quase 4 vezes em relação ao TOF (Ø = 12 µm) com RI variando de 1,328 a 1,393. O TOF fabricado permitiu a detecção ultrassensível de glicose com boa estabilidade e resposta rápida que pode levar a biossensores ultrassensíveis de próxima geração para aplicações do mundo real, como diagnóstico de doenças.

Um dos maiores desafios da medicina moderna é desenvolver tecnologias econômicas que possam diagnosticar uma doença de maneira oportuna e precisa e não afetada pela interferência eletromagnética (EMI). O sensor óptico sem rótulo oferece uma abordagem promissora para detecção bioquímica em praticamente qualquer ambiente, incluindo aqueles com EMI1,2,3. A maioria dos eventos de ligação, como hibridação de DNA, reconhecimento anticorpo-antígeno, reações químicas e alterações na concentração, geralmente levam a alterações no ambiente circundante do sensor óptico e são conhecidas por alterar o índice de refração (RI) do ambiente de detecção. Além disso, essa mudança no RI pode refletir quantitativamente a capacidade de detecção dos biossensores. Portanto, medir as pequenas alterações no IR que podem resultar de um processo bioquímico é fundamental para a detecção de biomarcadores4,5. Os sensores RI baseados em fibra óptica são caracterizados como sem etiqueta, com uma variedade de configurações. Os sensores IR baseados em fibra mais comuns são as estruturas da grade de Bragg (FBG)6, grades de longo período (LPG) formando um interferômetro Mach-Zehnder7, microinterferômetros baseados em corrosão química8 e fibras microestruturadas9 e fibra óptica cônica10.

O material da fibra óptica geralmente é a sílica, que não é tóxica, é ecológica e muito mais resistente à corrosão do que a maioria dos materiais, sendo, portanto, um bom candidato para detecção em ambientes hostis. As fibras ópticas proporcionam uma excelente versatilidade de detecção onde podem ser decoradas com vários materiais (polímeros, nanomateriais, etc.) Recentemente, fibras ópticas cônicas (TOF) atraíram atenção significativa devido à sua facilidade de fabricação e propriedades ópticas aprimoradas11,12,13. O TOF produz uma intensidade óptica notavelmente alta em uma longa distância, de vários milímetros a alguns centímetros. O longo comprimento de interação e a alta intensidade do TOF podem melhorar a interação luz-matéria, aumentando assim a sensibilidade do sensor. Embora existam várias abordagens para a fabricação de TOFs, conforme ilustrado na Tabela 1, o método de escovação com chama é o mais usado, em que uma fibra óptica de vidro monomodo ou multimodo com o revestimento removido é aquecida no centro da fibra enquanto simultaneamente estica a fibra em ambas as extremidades para produzir uma "cintura" simétrica na fibra10. Esta é a abordagem mais direta e de baixo custo para fabricar um TOF.