光學生物傳感器的應用及進展

黃 政 貴州大學職業技術學院, 貴州貴陽 550003

光學生物傳感器的應用及進展

黃 政 貴州大學職業技術學院, 貴州貴陽 550003

本文介紹了光纖傳感器的原理、特點和分子探針的固定方法，總結和展望光纖生物傳感器應用情況及發展趨勢。

生物傳感器；分子探針

l.光纖生物傳感器原理及特點

光纖生物傳感器結構主要有光源、光纖、生物敏感元件及信號檢測系統等，其中的生物敏感元件是傳感器的關鍵部件，常用的生物敏感元件主要有抗原抗體、酶及核酸等。被測物與特定的生物敏感元件選擇性相作用(即抗原抗體或受體配體特異性結合；核酸分子堿基互補配對；酶對底物作用專一性等)，產生的生物化學信息調制光纖中傳輸光的物理特性如光強、光振幅、相位等。因此這種傳感器有較強的選擇性和很高的靈敏度，而且在分析過程中可省去對測試物分離提純等繁瑣工作，但上述形成的復臺物或產生物產生的光譜行為相似，單靠光纖本身無法區分，常需使用指示劑或標記物，如:酶、熒光物質、酸堿指示劑和鑭系螯合物等。

同其他生物傳感器相比，光纖生物傳感器結合了光纖傳感的特點，具體體現在：

(1)由于光纖本身良好的絕緣屏蔽作用，其抗干擾能力強，不受周圍電磁場的擾動。

(2)不需要參考電極，探頭可小型化，操作方便。

(3)可實現遙測，并能進行實時、在線和動態檢測。

(4)響應速度快，靈敏度高。

2.光纖生物傳感器的分類

光纖生物傳感器的類型很多，目前國內外研究較多的有：漸逝波型光纖生物傳感器、熒光型光纖生物傳感器、光吸收型光纖生物傳感器。

2.1 漸逝波型傳感器

漸逝波型光纖生物傳感器是把處于測量場中的光纖外一小段包層去掉露出纖芯，再在這段芯上涂上一層折射率小于纖芯折射率的物質，敏感包層對被測物進行吸附，使敏感包層折射率發生變化，或光在敏感包層中的傳輸損耗增大，光纖的波導結構發生變化，引起輸出端光功率減小，從而反映出檢測溶液的濃度或溶液中待檢測的分子的多少。

2.2 熒光型傳感器

熒光型生物傳感器是通過測定特征熒光光譜對被測物進行定性和定量檢測。這種傳感器靈敏度高，發展很快。

2.3 光吸收型傳感器

光吸收型傳感器的工作原理是根據被測物對特定波長產生吸收并對光吸收強度進行測量來測定被測物。產生的特定波長的光信號經過耦合到光纖，通過光纖傳遞到透鏡，通過透鏡把光轉換成準直光并通過光纖傳遞到檢測裝置。根據檢測到的特定波長的光強度可以測定被測物。

3.光纖生物傳感器的基本構造

光纖生物傳感器通常有三部分組成:1）探頭，它是由半透明性的套及參與化學反應的試劑如染料等組成的，起著與被檢測物質發生反應從而引起光的變化的作用，為傳感器的關鍵部分；2）光纖，是入射光及待檢測光的傳導部件; 3）光源及檢測裝置。對一種傳感器來說這三部分是缺一不可的，而探頭的設計又是特別重要的，它關系到傳感器的檢測范圍、靈敏度等，是傳感器研究的重點。

在目前研究和應用的光纖生物傳感器中有三種從本的組成方式(見圖1)。圖中，(a)是一種分叉光纖傳感器，入射光由分叉的P光纖進入，到探頭R，這里發生反應并引起光的變化，變化了的光再由分叉的D光纖傳導到測光裝置; (b)是一種具有分光裝置的單根或單光束光纖生物傳感器，入射光及變化了的待測光由同一光纖傳導，利用分光器將待測光引到測光裝置測定，(c)是裸光纖生物傳感器，這種傳感器的探頭是安置在一根光纖的無包層部分，反應在這里進行，變化了的光可直接沿著此光纖傳導到測光裝置而被測定。

圖1 光纖生物傳感器的基本組成方式

在研制光纖生物傳感器時，通常有兩種的制作模式，即光級模式和消逝波模式。敏感膜固定在光纖芯的頂部或其光線能夠覆蓋的范圍，這種構造方法稱為光級模式；如果將光纖的覆層去掉，充分暴露出光纖芯，在暴露的表面上進行化學反應或生物反應，就構成了光纖傳感器的消逝波模式。兩種模式的原理都是光纖的全反射，即使光纖的覆層去掉，全反射仍然可以發生，因為只要圍繞著光纖芯的介質折射率小于纖芯折射率即可（例如水）。光纖芯的構型也會影響光纖傳感器的效率，有人比較了逐步蝕刻、錐狀和組合錐狀三種構型的光纖，發現它們的效率是依次升高的（圖2）。

圖2 階躍蝕刻型、連續錐型和組合錐型的光纖探頭

在光纖的具體選擇上，經常采用直徑比較粗的光纖，例如1mm。這樣其芯的直徑也比較粗，可以達到200um，而不是普通的60um，加工較方便，同時也能增加反應的表面積。光纖芯的構型一般做成錐狀和復合錐狀。光纖的反應端通常為10～20cm,另外一端經過一個“T”形接頭與光學設備相連。

4.光纖化學傳感器分子探針的固定方法

分了探針的固定方法可分為兩類，一種是物理方法，即分了探針溶解分散在固相支劑和增塑劑中，通常也存在靜電作用、氫鍵作用或范德華力等將分了探針吸附或包埋于聚合物支持劑上。另一類是化學方法，即通過化學鍵合的方法將分了探針通過化學作用直接或間接地鍵合于支持劑或光纖上。

4.1 物理方法

通過非化學方法將分了探針吸附或包埋于聚合物支持劑上，這是目前較為常用的一種方法。如包埋法，混合試劑、分了探針、溶劑和固相支持劑就能通過上述較弱的力將探針固定于支持劑上，然后通過蒸發溶劑制成膜，這也是目前制膜工藝中較為成熟的技術，可重復性相當好。該法要求分子探針在支持劑中具有較好的溶解性和親和性，同時要選擇最佳比例的膜成分及適宜的膜厚度，否則將直接影響傳感器的敏感性與響應時間。Kurt Seiler等制備了過程可逆的選擇性乙醇傳感器，以聚氯乙烯做固定支持劑，癸酸-壬酸為增塑劑，甲基三十二烷氯化銨為分子探針，N-乙酸基-N-十二烷基-4-三氟代乙酰苯胺為換能器，將膜成分溶于四氫吠喃中，澆鑄于石英玻璃的旋轉裝置上，蒸發溶劑后成膜，此膜對乙醇有很高的選擇性，但其穩定性不太好。

4.2 吸附法

吸附法通常用一種離子交換樹脂作為膜材料，分了探針以靜電作用吸附在膜中，如羥基-3，5, 8-芘三磺酸(HPTS)的pKa值約為7.3，激發波長為460nm，發射波長為520nm,有較大的Stockes位移，水溶性好、無毒，是一個非常理想的pH指示劑，通過靜電作用固定于一個陰離子膜上，在滴定中用于測定溶液pH值。然而傳感器的指示劑層對強酸強堿不穩定，指示劑易從支持劑上泄漏。

4.3 化學方法

將染料、分了探針或酸等分了識別物以共價鍵方式鍵合于具有反應活性基因的支持劑上，能提高傳感器的穩定性，使其不易受pH值、離了強度、溶劑或溫度的影響，含有活性基團的探針與支持劑直接作用。

5.光學生物傳感器的應用

5.1 pH光纖傳感器

圖3 PH光纖傳感器的結構

1977年，Goldstein和Peterson首先研究出了pH光纖傳感器，它是以酚紅作為指示劑的，并固定化在聚丙烯酸胺的微球上，裝在一個離子通透性的纖維素套內，同時還加入了一些聚乙烯微球起散光作用。兩根0.15mm直徑的塑料光纖插入纖維素套中組成一個傳感器(見圖3)。

為了檢測染料(酚紅)的堿性狀態，測定光選用560 nm，而紅光600 nm用作光的參比。紅、綠光的比例與PH的大小有關，為此從它們的比例情況就可得到pH的數值。這種pH光纖傳感器的測定范圍是pH 7.0～7.4，精密度達0.01 pH單位，完個適用生理狀態的pH值的測定。它所得到的結果與pH電化學電極和血氣分析儀的結果是一致的。

5.2 氧光纖傳感器

Peterson等設計了一種氧光纖傳感器，它的裝置類似于前面講述的pH光纖傳感器。作用原理是，染料的熒光可被氧所淬滅，而未被淬滅的熒光可作為氧的函數來測定，所以根據熒光的大小亦就可知道氧的含量。他們所有的染料是芘二丁酯。用大孔的聚乙烯吸附劑吸附這些染料并放在多孔的聚丙套中、分叉的光纖插入套內組成氧光纖傳感器。激發光藍光由另一根光纖傳導到聚丙烯套中，使固定化的染料產生黃綠色的熒光，其強度決定于氧分壓并由另一根光纖傳送到測光裝置而得到檢測。這種氧光纖傳感器測定氧分壓的范圍在0～150mmHg, 精確度為1mmHg。適于正常人的氧量的測定。

5.3 葡萄糖光纖傳感器

Schultz等研究的葡萄糖光纖傳感器的設計思想可廣泛用于其他生物化學物質的測定，特別引起人們的興趣。它的結構見圖4。首先作者把伴刀豆球蛋白A(ConA)固定化在Sepharose上，并將它涂在離子通透性套的內壁上，然后使競爭性吸附劑，熒光素標記的dexdran，與固定化的conA結合。當葡萄糖光纖傳感器用于測定時，被測物葡萄糖進入套內，與熒光素標記的dextran競爭，使它游并擴散到

圖4 葡萄糖光纖傳感器構造

發光區內，導致熒光的增加、所增加的熒光由光纖傳送到測光裝置而被測定。熒光的大小與葡萄塘的濃度有一定關系，因而根據熒光的強度就可測得葡萄糖的含量。dextran可用各種熒光物質來標記，當用FITC標記時，這種光纖傳感器測定葡萄糖在每毫升0.5～4 mg的范圍內或直線關系。

6.結束語

光纖生物傳感器由于其實用方便、靈敏度高等優點，已成為人們越來越關注的研究熱點。其小型化、規格化、商品化是將來發展的趨勢，相信隨著納米技術、微細加工技術的發展及應用，光纖生物傳感器在醫學領域、環境監測、食品工業等方面會發揮越來越重要的作用。

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Applications and advances of Fiber-Optic Biosensor

Huang Zheng Vocational Technical College of Guizhou University, Guiyang ,550003,China

The present paper gives a brief introduction on the principle，characteristic and the immobilization methods of probe molecular in fiber-optic biosensors.We also summarize its future work in application and research.

biosensor;probe molecular

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.07.013