基于漸變波導(dǎo)COHb與O2 Hb混合濃度傳感技術(shù)研究

鄒任玲 陳抱雪 王海虹

1(上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093)

2(上海理工大學(xué)光電學(xué)院，上海 200093)

3(上海市現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093)

引言

一氧化碳是一種對(duì)血液和神經(jīng)系統(tǒng)毒性強(qiáng)且廣泛存在的污染物，通過(guò)呼吸系統(tǒng)進(jìn)入人體血液內(nèi)，與血液中的血紅蛋白(hemoglobin，Hb)、肌肉中的肌紅蛋白、含二價(jià)鐵的呼吸酶結(jié)合，形成可逆性的結(jié)合物。在正常情況下，經(jīng)過(guò)呼吸系統(tǒng)進(jìn)入血液的氧與血紅蛋白(Hb)結(jié)合，形成氧合血紅蛋白(O2Hb)才能被輸送到機(jī)體的各個(gè)器官和組織，參與正常的新陳代謝活動(dòng)。一氧化碳與血紅蛋白的結(jié)合力比氧與血紅蛋白的結(jié)合力大200～300倍，進(jìn)入血液的一氧化碳優(yōu)先與Hb結(jié)合，形成碳氧血紅蛋白COHb;另一方面，COHb的解離速度只是 O2Hb的1/3600。因此，一氧化碳與血紅蛋白的結(jié)合，不僅降低了紅細(xì)胞攜帶氧的能力，而且還抑制、延緩O2Hb的解析釋放O2，導(dǎo)致機(jī)體組織因缺氧而壞死，嚴(yán)重時(shí)危及人的生命。通過(guò)測(cè)定血液中一氧化碳血紅蛋白(COHb)，氧合血紅蛋白(O2Hb)濃度，可診斷患者CO中毒的程度，具有重要的臨床意義[1]。目前臨床試驗(yàn)室血液COHb、O2Hb的定量測(cè)定方法主要有氣相色譜法、分光光度法等，氣相色譜法操作繁瑣，臨床試驗(yàn)應(yīng)用少。分光光度法COHb濃度最低檢出限是5%，無(wú)法進(jìn)行低濃度檢測(cè)。

本研究首次采用折射率漸變波導(dǎo)作為傳感機(jī)制，利用光波導(dǎo)導(dǎo)模的傳輸特性對(duì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的折射率分布變化、介質(zhì)吸收特性變化等敏感特性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)氧合血紅蛋白及碳氧血紅蛋白的濃度測(cè)試。在此基礎(chǔ)上，試制了一種用于包層吸收損耗測(cè)試的雙樣品盒串連的波導(dǎo)回路傳感結(jié)構(gòu)，實(shí)測(cè)了COHb和O2Hb混合物的濃度，通過(guò)對(duì)臨床樣品測(cè)定，在COHb＞1%時(shí)，測(cè)定結(jié)果較為理想，適用于臨床上診斷性定量測(cè)定，而分光光度法當(dāng)濃度于＞5%才有線性，與分光光度法的測(cè)定結(jié)果具有良好的可比性，驗(yàn)證了本方法的有效性，為COHb和O2Hb混合物濃度的測(cè)定提供了一種新方法。

1 折射率漸變波導(dǎo)傳感測(cè)試?yán)碚?/h2>

血紅蛋白液與碳氧血紅蛋白薄層作為敏感層，包層作為有吸收介質(zhì)包層的費(fèi)米函數(shù)漸變波導(dǎo)的折射率分布可表示為[2]：

式中，ncr和nci分別是包層折射率的實(shí)部和虛部，ns是基板折射率，Δn是基板表面折射率增量，a和 d是與漸變波導(dǎo)的變化率及有效厚度等有關(guān)的參數(shù)。由WKB方法得到導(dǎo)模本征方程

包層對(duì)光波的吸收系數(shù)αc以及由此引起的波導(dǎo)對(duì)導(dǎo)模的吸收系數(shù)αw可以寫(xiě)成

用相互作用比R表征導(dǎo)模損耗與介質(zhì)包層吸收之間的相關(guān)程度[3-4]，定義為

R通過(guò)βi與波導(dǎo)參數(shù)關(guān)聯(lián)，其大小直接反映波導(dǎo)結(jié)構(gòu)傳感包層吸收的敏感程度。采用血紅蛋白作為包層后，相互作用比 R只與 βi成正比，而 βi與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)[5]，因此有必要對(duì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得在確定的吸收介質(zhì)包層和波長(zhǎng)下，βi有最大值。在實(shí)際波導(dǎo)工藝實(shí)驗(yàn)中試制不同厚度(d值)的波導(dǎo)，找到在R峰值對(duì)應(yīng)的波導(dǎo)作為傳感檢測(cè)波導(dǎo)。TM模的傳感靈敏度比TE模的大，這是費(fèi)米折射率分布波導(dǎo)包層吸收模譜的基本特征。出現(xiàn)這種特征的原因與導(dǎo)模模場(chǎng)在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的約束程度有關(guān)，導(dǎo)波光學(xué)指出的一般規(guī)律是：在同一擴(kuò)散深度下，高階模的約束程度比低階模的低，TM模的約束程度比同階號(hào)的TE模的低，另一個(gè)導(dǎo)模場(chǎng)特點(diǎn)是，導(dǎo)模的模場(chǎng)約束程度與擴(kuò)散深度成正比，然而過(guò)分減小波導(dǎo)的擴(kuò)散深度會(huì)使導(dǎo)模截止，造成傳感靈敏度驟然下降[6]。

2 傳感測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 Ag+-Na+離子交換制備波導(dǎo)傳感制備工藝

根據(jù)上述理論可以確定最佳波導(dǎo)厚度，在離子交換波導(dǎo)中，折射率分布形式是由離子交換反應(yīng)過(guò)程決定的[7]，而波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)可以通過(guò)控制加工工藝條件加以?xún)?yōu)化。因此要進(jìn)一步研究波導(dǎo)的制備工藝，選擇 Ag+-Na+離子交換技術(shù)[8]的原因有二：一是離子交換工藝操作簡(jiǎn)單，成本較低，便于大量制作光波導(dǎo);二是Ag+-Na+離子交換的光波導(dǎo)的折射率是漸變的，在波導(dǎo)參數(shù)的研究上更具代表性。Ag+-Na+離子交換的原理如圖1所示。

在350℃的高溫下，玻璃基片中的 Na+能夠比較自由地遷移，基片浸入熔融狀態(tài)下的純 AgNO3時(shí)，在玻璃表面處會(huì)形成 Ag+、Na+濃度梯度，離子將由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴(kuò)散以達(dá)到平衡。這樣，玻璃中的Na+就會(huì)與外界的Ag+發(fā)生交換，而且進(jìn)入玻璃的Ag+會(huì)繼續(xù)與玻璃中的 Na+進(jìn)行交換，從而擴(kuò)散到更深的玻璃內(nèi)部，擴(kuò)散區(qū)域的折射率會(huì)因Ag+含量不同而相應(yīng)增大。

圖1 離子交換原理Fig.1 Principles of ion exchange

各階模等效折射率與離子交換時(shí)間有關(guān)，隨著離子交換時(shí)間的增加，TE模和TM模的各階模等效折射率也相應(yīng)增加。如圖2和圖3所示。因此控制好時(shí)間能確定等效折射率，精確知道波導(dǎo)折射率分布情況與波導(dǎo)厚度的關(guān)系，就可以利用波導(dǎo)的光傳輸理論模擬波導(dǎo)的光學(xué)性質(zhì)和設(shè)計(jì)傳感器件?？紤]到擴(kuò)散深度較小的波導(dǎo)中，導(dǎo)模的包層倏逝場(chǎng)的滲出深度比處于擴(kuò)散深度較大的波導(dǎo)中的導(dǎo)模的大，因此傳感靈敏度較大，本傳感裝置設(shè)計(jì)采用擴(kuò)散深度較小、交換時(shí)間為45 min的波導(dǎo)。

圖2 TE模折射率與交換時(shí)間的關(guān)系圖Fig.2 TE mode refractive index of the relationship with the exchange time

2.2 傳感測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳感系統(tǒng)采用如下結(jié)構(gòu)，選用 R(TM0)=0.0176的靈敏度高的TM模式檢測(cè)(TE測(cè)試方法類(lèi)同)。

圖3 TM模折射率與交換時(shí)間的關(guān)系圖Fig.3 TE mode refractive index of the relationship with the exchange time

圖4 光波導(dǎo)傳感器實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)Fig.4 Experimental structure waveguide sensor

光波導(dǎo)傳感器制作過(guò)程如下：離子交換制作相應(yīng)厚度的敏感波導(dǎo)，然后清洗該波導(dǎo)，配比10 μm粒子酒精溶液，使用勻膠機(jī)在洗凈的波導(dǎo)上均勻涂上一層10 μm粒子。將兩片沿光傳輸方向的長(zhǎng)度為4 mm的玻片覆蓋在波導(dǎo)上，開(kāi)啟激光器半小時(shí)左右，待激光器輸出光功率穩(wěn)定后，將已固定的實(shí)驗(yàn)波導(dǎo)用雙棱鏡耦合的辦法調(diào)試，得到所需TM模式，在輸出端如圖4放置一個(gè)柱透鏡，使得輸出線形輸出光經(jīng)柱透鏡聚焦成點(diǎn)形輸出光。轉(zhuǎn)動(dòng)棱鏡耦合臺(tái)，轉(zhuǎn)到其中一個(gè)模式(如：轉(zhuǎn)到TM0模式)，安置光功率計(jì)并對(duì)準(zhǔn)點(diǎn)形輸出光且記錄讀數(shù)。中間不裝載樣品溶液時(shí)，波導(dǎo)損耗主要由傳輸散射引起，此時(shí)測(cè)得棱鏡輸出功率 Pout1=αoutP(L)=αoutP0exp(-2βwiL)。配置各種混合濃度的血紅蛋白液與碳氧血紅蛋白溶液，用吸管小心滴加該配置溶液至Ls1與波導(dǎo)之間的縫隙中，記錄讀數(shù)，測(cè)出棱鏡輸出功率 Pout2= αinαoutPinexp(-2βwiL-2βiLs1)。操作過(guò)程幾乎不攝動(dòng)包括棱鏡耦合結(jié)構(gòu)在內(nèi)的光路系統(tǒng)，涉及輸出和輸入的耦合效率維持不變;接著在Ls2與波導(dǎo)之間的縫隙中滴加該溶液，同時(shí)記錄下光功率計(jì)的讀數(shù) Pout3= αinαoutPinexp(-2βwiL-2βiLs1-2βiLs2)。由三次測(cè)試的輸出功率可以得到

該方法的優(yōu)點(diǎn)是采用了多次測(cè)量，提高了精度，樣品尺寸只要精確控制一個(gè)即可。并且該方法中Pout1可以由計(jì)算約去，可通過(guò)分步測(cè)試的方法消除包括波導(dǎo)自身?yè)p耗、棱鏡耦合損耗和系統(tǒng)其它額外損耗在內(nèi)的本底損耗的影響。由于液體注入采用在樣品盒邊緣處微量滴液后經(jīng)毛細(xì)管效應(yīng)吸附來(lái)實(shí)現(xiàn)，操作過(guò)程幾乎不攝動(dòng)包括棱鏡耦合結(jié)構(gòu)在內(nèi)的光路系統(tǒng)，涉及輸出和輸入的耦合效率維持不變，因此本底損耗βi在求解時(shí)被抵消。

2.3 COHb溶液、O2 Hb混合樣品溶液折射率 ncr、nci和濃度的求解

溶液吸收系數(shù)αc與nci有如下關(guān)系：

通常溶液的吸收系數(shù)與濃度c有關(guān)，α0是某種成分的固有吸收系數(shù)(單位長(zhǎng)度、單位濃度下的吸收常數(shù)與波長(zhǎng)有關(guān))，在本實(shí)驗(yàn)中采用比色計(jì)預(yù)先測(cè)得血紅蛋白溶液在420 nm波長(zhǎng)下的α0為0.055 μm-1，有

通過(guò)測(cè)量光功率的大小即可有上述關(guān)系得出濃度值的大小。分別采用血紅蛋白敏感波長(zhǎng)420 nm和430 nm光波交替通過(guò)波導(dǎo)傳感裝置，測(cè)出在各種不同濃度下輸出功率，然后由式(4)可得出不同混合物濃度下的βi值?？紤]到COHb和O2Hb溶液有不同的吸收光譜，吸收光譜曲線表明，COHb的最大吸收波長(zhǎng)在420 nm左右，O2Hb的最大吸收波長(zhǎng)在430 nm左右，兩組分的光譜有重疊現(xiàn)象，在波導(dǎo)傳感裝置后端通過(guò)導(dǎo)數(shù)光譜零交技術(shù)數(shù)據(jù)處理消除干擾[9]。

與濃度相關(guān)的 βr的值也可以由圖4實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)出，棱鏡底面下置有樣品溶液，忽略棱鏡的微擾，近似看成是一個(gè)帶有吸收型包層介質(zhì)的平面波導(dǎo)。此時(shí)采用 TM波，調(diào)節(jié)入射角 θp激勵(lì)某階導(dǎo)模，由棱鏡耦合同步角原理，該階導(dǎo)模的傳播常數(shù)的實(shí)部βr由下式給出：

式中，θp是棱鏡的底角，np是棱鏡的折射率，是傳感裝置的固有參數(shù)，只需測(cè)試入射角θ就可以得出βr。

對(duì)于TM波，測(cè)得 βi和 βr后，代入是漸變波導(dǎo)TM模的本征方程(2)，可以求出兩個(gè)未知量 ncr和nci，再由式(7)得到濃度。

3 臨床測(cè)試結(jié)果

采用飽和 COHb溶液、飽和O2Hb溶液以及雙蒸水配制成12個(gè)不同混合溶液標(biāo)準(zhǔn)樣品，利用圖4光波導(dǎo)傳感結(jié)構(gòu)測(cè)量，濃度測(cè)試結(jié)果以及βi的值見(jiàn)表1。

表1 不同混合溶液濃度測(cè)試結(jié)果Tab.1 The results of different concentrations of mixed solution

βi的值表征溶液包層吸收特征的折射率虛部，由輸出功率Pout的實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出來(lái)，由表1可知：溶液包層吸收特征的折射率虛部βi與溶液濃度之間具有十分顯著的線性關(guān)系。由βi等參數(shù)測(cè)算的nci與樣品濃度C的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.9949，高于臨界值0.684，顯示出十分顯著的線性相關(guān)關(guān)系，因此采用擴(kuò)散深度較小，交換時(shí)間為45 min，R(TM0)=0.0176厚度的波導(dǎo)具有很高的線性度，這與理論分析的結(jié)果一致。

表1結(jié)果還顯示了濃度測(cè)試結(jié)果與實(shí)際配制濃度值的結(jié)果，兩值的均方差小于0.054%，在COHb含量為1%～100%范圍內(nèi)具有優(yōu)良的線性關(guān)系，驗(yàn)證了折射率漸變的波導(dǎo)傳感測(cè)試的有效性。

4 討論與結(jié)論

出現(xiàn)上述TM模式、低階模(0模)、波導(dǎo)擴(kuò)散深度小而靈敏度越高這種特征的原因與導(dǎo)模模場(chǎng)在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的約束程度有關(guān)，導(dǎo)模的模場(chǎng)約束程度與擴(kuò)散深度成正比，在同一擴(kuò)散深度下，高階模的約束程度比低階模的低，TM模的約束程度比同階號(hào)的TE模的低。低約束程度的導(dǎo)模意味著其包層倏逝場(chǎng)的滲出深度比較大，光波與包層介質(zhì)的相互作用增強(qiáng)，傳感靈敏度因此增大。

上述包層吸收損耗的結(jié)果表明表征溶液包層吸收特征的折射率虛部與溶液濃度之間具有十分顯著的線性相關(guān)性。實(shí)驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果與實(shí)際濃度兩值的均方差小于0.054%，比目前采用雙波長(zhǎng)分光測(cè)量方法的均方差要小[10]。在COHb含量為1%～100%范圍內(nèi)具有優(yōu)良的線性關(guān)系，對(duì)雙波長(zhǎng)分光光度法測(cè)定要求COHb＞5%，具有良好的可比性，實(shí)現(xiàn)了混合物含量測(cè)定并取得滿意效果。為混合物濃度的測(cè)定提供了一種新方法。裝置中采用的混合熔鹽離子交換工藝制備波導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)是工藝條件十分穩(wěn)定，可以得到大面積均勻薄膜;另一個(gè)是合適的熔鹽配方可以改善基板表面應(yīng)力，得到界面光滑、傳輸損耗很小的波導(dǎo)，適合在臨床上推廣應(yīng)用。

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