基于光纖維生物傳感器的研究

劉江明

摘要：光與生物有著密切的聯系，光是_種電磁波，光的傳播速度是300000000米每秒。光與生物學之間的關系可以概括為：生物發(fā)光反應；光在生物物質中的能量傳遞，譬如生物物質的光吸收、光猝滅和受光激發(fā)等。生物反應物質對光的傳播影響。隨著高科技的發(fā)展，已經研制出光纖維生物傳感器，光纖維生物傳感器主要有光學器件檢測光的靈敏度非常高，當然那用光纖維制成的生物傳感器靈敏度也非常的高。另外，光信號的傳播不受外界電磁波的干擾，傳感器的噪聲低。光纖生物傳感器指用光導纖維及其檢測器與生物分子識別器組裝構成生物傳感器。

關鍵詞：生物反應；生物傳感器；光纖維生物傳感器；生物分子

1引言

生物傳感器是一類特殊的傳感器，它與生物學、化學、物理學、信息科學及相關技術融為一體。生物傳感器是一類可將生物信息轉換為可分析信號的器件，其通常包括兩個基本功能單元，即是接受器和換能器。目前已經發(fā)展成為一門活躍的領域，并展現了生物傳感器的廣闊應用前景。

生物圈中存在著許許多多的物質，它們與遺傳或是代謝的基本元素、中間體，影響著生物學過程的各個方面，我們把它稱作生命物質或與生命相關的物質。人們對這些物質進行分析的發(fā)展，取決于人們的科學活動或探索實踐。隨著人類對生命的本質、生命過程和生命體與其生存環(huán)境信息交流的認知不斷深入，研究發(fā)展新的技術手段顯得越來越重要。

分析生物是一個非常重要的鄰域，那就是生物傳感器的研究。生物傳感器他是一個典型的多學科交叉產物，它結合了生命科學、分析化學、物理學和信息科學及其相關技術，實現對所需要的物質進行檢測并進行快速的分析和追蹤。生物傳感器的問世，是科學家的技術和科學發(fā)展及社會發(fā)展需求多方面雙驅動的結果。經過幾十年的發(fā)展，已經成為一個涉及內容廣泛、多學科的介入和交叉，是一個充滿創(chuàng)新活力的領域。

2傳感器的結構

主要由兩部分組成，生物敏感膜和換能器。當被分析的物質進入固定化的生物敏感膜，經分子識別，發(fā)生生物學反應，產生的信息被相應的化學換能器或物理換能器轉變成可定量和可處理的電信號，如圖1所示。

生物敏感膜又稱為生物識別元件，是生物傳感器的關鍵部分，直接與生物傳感器的功能質量有關。根據生物敏感膜的材料不同，其組成可以是酶、核酸、免疫物質、全細胞、組織、細胞器或他們不同的組合，近年來科學家還研究出了，高分子聚合物模擬酶，使得分子識別元件的概念進一步拓展。

換能器的作用是把各種生物的、化學的和物理的信息轉化為電信號。生物學產生的信息是多樣化的，微電子學和傳感技術的現代的成果為檢測這些信息提供了豐富的手段，使得研究者在設計生物傳感器的時候，對換能器的選擇有足夠的余地。設計的生物傳感器成功與否取決于設計方案的科學性和經濟性。

光導纖維簡稱光纖，由超純玻璃和其它材料制成。纖維表層的折射率比中心折射率低，光在纖維中傳播以全反射形式向前傳播，最終把光傳到很遠的地方。光纖的導光范圍與制成光纖的材料有關，熔硅纖維可以測量紫外光，波長范圍最低是220nm，熔硅的材料較貴。用玻璃制成的纖維可以測量可見光，與熔硅相比測量的波長范圍就小，成本次之。塑料纖維最便宜，但是測量的波長范圍必須是450nm以上，否則測不了。制成的光纖直徑，一般在50至200微米左右。

光纖傳感器可以分為單芯和雙芯兩種，在光纖端部的敏感部位稱為反應相。如果反應相中是生活性物質在起作用，則稱為生物光纖或生物光極。在雙芯光纖中，光從一束纖維傳到反應相，再從另一束光纖傳出。反應試劑或指示劑被固定在球形載體上，用管狀膜將敏感物質及載體套在光纖端部，分析底物透過敏感物質作用。在管狀膜的端點有一個“黑塞”，它能阻止入射光作用于外部溶液中，避免潛在的干擾。

3傳感器的特點

光纖維生物傳感器有著許多的特點，具體如：無須參比電極；由于信號是光，不受到外界的電子干擾，這種特性在有電磁場的干擾情況下顯得特別的重要，光纖維生物傳感器可以保持原信號繼續(xù)傳播；不需要把生物分子識別器“真正的”固化在纖維上，從而反應相容易更換；當用于體液測定時，光纖比其他電子元件較為安全；某些分析底物在光學平衡基礎上被敏感，而不是在電化學平衡基礎上被敏感，當達到平衡時，不需要持續(xù)的向傳感器表面?zhèn)鬏數孜?，對溫度波動和液流條件都不如電流型電化學傳感器敏感。當進行雙波傳播時，光纖生物傳感器的穩(wěn)定性很高；光纖生物傳感器可以實現多功能傳感器，譬如當同時測定許多種底物時，可以用對應的多種酶和不同的波長便能實現同時測定多種底物。光纖可以結合現代技術可以制成微米級別，為微型生物傳感器提供了制作材料；光纖制成的生物傳感器可以任意彎曲，可以保持以最小的損失實現長距離的傳輸，這樣方便實現工業(yè)化操作和較容易控制。與光效應偶聯的反應有很多種，具有普遍的現實運用意義。

光纖生物傳感器的優(yōu)點有很多，該傳感器不僅有光學的知識，傳播速度快穩(wěn)定，而且還有生物的性質。光纖生物傳感器是把光學知識和生物知識有效的結合起來，這是一個典型的交叉學科融合為一體，為推進高科技技術的發(fā)展取到催化劑的作用。

在發(fā)展新技術的今天，光纖越來越離不開人們的生活，光纖不僅可以傳輸大量的信息，而且還是利用光進行傳輸。我們都知道光的速度是很快的，當然人們利用光纖傳輸信息的速度也就是很快的。傳感器與光纖技術很好的配合使用，可以為光纖生物傳感器帶來意想不到的效果。

光纖維生物傳感器，是具有高度靈敏性的一種生物傳感器。現在的科技技術日益發(fā)達，幾乎對所有的儀器設備都要求精度越來越高。然而對儀器設備的要求越來越高，也就是電子技術的發(fā)展越來越快，只有精確度高的電子設備才能制止出高精度的儀器。用純手工是不可能制作出高精度的儀器的，對于高精度的傳感器所需要的材料肯定是在傳輸信息的過程中信息損耗最小最好。

總之，光纖生物傳感器的特點有很多，許多的優(yōu)點科學家們還在不斷的進行中，希望能充分的利用好光纖維生物傳感器。

4動力學分析

光纖維生物傳感器，在光纖傳感器反應相發(fā)生的反應可以是生物親和反應h或酶促反應。接下來將專門對酶促反應和生物親和反應做討論。首先，在生物傳感器的反應相發(fā)生的親和反應（受體和配體的結合反應）是可逆的，并且結合和解離可以達到平衡的狀態(tài)。其次，在達到反應平衡的過程中，實際上還包括了一些其他相關的過程。譬如在很多的情況下，傳感器膜把反應相與外部溶液隔離開來，被分析物透過膜的速度常常是整個響應速度的關鍵因素。譬如葡萄糖透過30帥厚的中空纖維膜需要5mine，而葡萄糖與刀豆球蛋白A（ConA）結合的時間常數是毫秒級，所以最終的化學平衡包括了擴散動力學。最后，抗體與抗原之間通常具有高的親和常數和低的解離速度，若解離速度太慢（如用小時計時），則不適于平衡解說。根據反應物是否需要標記物可以分為直接法和間接法。

直接動力學分析法，設被分析物為配體（A），光纖反應相中含有受體（R），兩者結合產生復合物（A：R），其反應數學公式可以表示如下：

5結語

生物傳感器（Biosensor），是一種對生物物質敏感并將其濃度轉換為電信號進行檢測的儀器。主要的組成結構是把固定化的生物敏感材料作為傳感器的識別元件，主要包括酶、抗體、抗原、微生物、細胞、組織、核酸等生物活性物質、恰當的邏輯換能器（譬如氧電極、光敏管、場效應管、壓電晶體等等）及信號放大裝置構成的分析工具或系統(tǒng)。

生物傳感器是一類特殊的傳感器，它與生物學、化學、物理學、信息科學及相關技術融為一體。是典型的交叉學科產物，在為推進高科技的發(fā)展有著非常重要的作用。目前已經發(fā)展成為一門活躍的領域，并展現了生物傳感器的廣闊應用前景。另外，光纖生物傳感器為開辟交叉學科聯合研究做出的重要的代表，鼓勵更多的學科進行聯合研究，高強度推進科技的發(fā)展做出貢獻。

生物圈中存在著許許多多的物質，它們與遺傳或是代謝的基本元素、中間體，影響著生物學過程的各個方面。我們把它稱作生命物質或與生命相關的物質。

科學家們對這些物質進行分析和發(fā)展，取決于人們的科學活動或探索實踐的能力。隨著人類對生命本質、生命過程和生命體與其生存環(huán)境信息交流的認知不斷深入，研究發(fā)展新的技術手段越來越重要。光纖生物傳感器就是一個經典的實例，光纖生物傳感器的研發(fā)成功離不開高新技術的發(fā)展，把光學知識與生物、化學等交叉學科知識充分融合，最終實現光纖生物傳感器的功能。

對于分析生物一個非常重要的鄰域來說，那就是生物傳感器的研究。生物傳感器他是一個典型的多學科交叉產物，它結合了生命科學、分析化學、物理學和信息科學及其相關技術，實現對所需要的物質進行檢測并進行快速的分析和追蹤。生物傳感器的問世，是科學家的技術和科學發(fā)展及社會發(fā)展需求多方面雙驅動的結果。經過幾十年的發(fā)展，已經成為一個涉及內容廣泛、多學科的介入和交叉，是一個充滿創(chuàng)新活力的領域。

光纖生物傳感器具有檢測精度高、抗干擾能力強、響應快、成本低、有利于在線檢測等優(yōu)點，在臨床醫(yī)學、藥學、生物工程、食品工業(yè)、過程控制、環(huán)境監(jiān)測、軍事等許多領域具有重要的應用，近年來一直是國內外的研究熱點。葡萄糖是臨床醫(yī)學和食品工業(yè)等領域的一個非常重要的檢測指標，人們已經在葡萄糖檢測和光纖葡萄糖傳感器方面作了—系列研究，熒光猝滅型光纖葡萄糖傳感器引起了人們極大的關注。