黃 政 貴州大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 貴州貴陽 550003

光纖生物傳感器的傳感機(jī)制

黃 政 貴州大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 貴州貴陽 550003

本文綜述了光學(xué)生物傳感器的傳感機(jī)制，按照其光學(xué)現(xiàn)象來進(jìn)行傳感可分為反應(yīng)池光吸收型、敏感膜光反射與散射型、熒光型與磷光型傳感，分別綜述了它們的傳感原理、特點(diǎn)及實(shí)際應(yīng)用。

生物傳感器；熒光

引言

傳感器是能感受某種被測量信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成聲、光、電等信號(hào)的元件，包括敏感元件、轉(zhuǎn)換元件以及相應(yīng)線路等。傳感器的種類很多，其中以抗原抗體、酶、核酸、細(xì)胞等生物材料作為敏感元件組成的傳感器稱為生物傳感器，而以光纖傳導(dǎo)和收集光信號(hào)進(jìn)行生物檢測的傳感器稱為光纖生物傳感器(fiber optic biosensor,FOBS)，這種傳感器通過檢測生物反應(yīng)所產(chǎn)生的光，通過檢測光的強(qiáng)度、振幅、相位等參數(shù)確定被檢物質(zhì)的量。與其他傳感器相比，這種傳感器具有抗電磁干擾能力強(qiáng)，不用參考電極，可以實(shí)現(xiàn)探頭微型化以及用于遙測和適時(shí)檢測等優(yōu)點(diǎn)。

1 反應(yīng)池光吸收型傳感

光纖傳感器系統(tǒng)中，可利用一系列光纖現(xiàn)象來傳感化學(xué)量，其中最簡單的方法莫過于在特定波長處的光吸收效應(yīng)，光吸收效應(yīng)主要用于檢測池分離型光纖傳感器，即一根光纖或光纖束將光引入化學(xué)反應(yīng)池，由化學(xué)反應(yīng)池返回的光用另一根光纖或光纖束收集。光吸收的強(qiáng)弱取決于待測分子的吸收率、光程及光波長。一束準(zhǔn)直光在吸收介質(zhì)中經(jīng)過距離z后檢測到的光強(qiáng)由式（1）表示：

在一個(gè)光纖化學(xué)傳感系統(tǒng)中化學(xué)反應(yīng)物的種類及其濃度通常需滿足下面兩個(gè)條件。

① 在被測參數(shù)變化范圍內(nèi)（如某種被測化學(xué)物的濃度最小值和最大值），受該參數(shù)制約的傳輸光強(qiáng)變化必須足夠大以獲得相當(dāng)?shù)撵`敏度。一般而言，在測量范圍內(nèi)，該變化值為信號(hào)強(qiáng)度的一個(gè)至兩個(gè)數(shù)量級(jí)比較合適。當(dāng)然，這只是一個(gè)度。在這種情況下，需要有一個(gè)非線性強(qiáng)度函數(shù)，為了得到最高的精確度，在被測量參數(shù)的變化范圍內(nèi)，信號(hào)強(qiáng)度應(yīng)有最大的變化量。

② 在最大吸收時(shí)，化學(xué)反應(yīng)物中的光傳輸量仍需維持足夠大，因?yàn)樵谟性肼暤那闆r下，信號(hào)必須有足夠大的相對值。實(shí)際上，這意味著傳感元件的光損耗（其大小由待測反應(yīng)物及傳感器構(gòu)造共同決定）不能太大，否則將難以從干擾（諸如周圍泄露光等）中分離信號(hào)分量。這一要求并不是指傳輸?shù)墓庑盘?hào)必須比周圍光信號(hào)大。如果采用光源調(diào)制及窄帶檢測方法，只要總光量大致使探測器或信號(hào)處理電路出現(xiàn)飽和，則比環(huán)境光小得多的信號(hào)光仍是容許的。

一般來講，為保證傳感器精確地吸收測量，需要同時(shí)監(jiān)測至少兩個(gè)波長。這兩個(gè)波長的選擇是在其中一個(gè)波長上對測量環(huán)境變化敏感而在另一個(gè)波長上不敏感為原則的。這種雙通道系統(tǒng)能補(bǔ)償諸如光纖耦合效率波動(dòng)、光源功率波動(dòng)以及光纖、探測器或其他光器件的老化而引起的共模效應(yīng)。

2 敏感膜光反射與散射型傳感

“單端”光纖系統(tǒng)具有較多的優(yōu)越性，利用一面鏡子（或其他反射面），或利用某一附加材料的光散射特性，將部分吸收光反向散射到接收光纖中去可構(gòu)成一類更具優(yōu)越性的光纖傳感器。試劑附著于無色膜材料的表面，膜緊貼于光纖端面。膜的漫反射要足夠大，并且漫反射不僅發(fā)生在膜表面還發(fā)生于膜內(nèi)。待測物的加入能改變反向散射光的強(qiáng)度。這種光強(qiáng)度的變化可以通過一種單向方式監(jiān)測，即在入射光纖相同的方向上放置一根接收光纖。在實(shí)際應(yīng)用中可利用分叉光纖提供多跟入射光纖和出射光纖。一般來說選擇具備下述特點(diǎn)的反應(yīng)物支撐材料是相當(dāng)重要的。

圖1 膜吸收—散射傳感原理

① 膜能實(shí)現(xiàn)反應(yīng)物的化學(xué)偶合或結(jié)合反應(yīng)物的同時(shí)又不影響反應(yīng)物的光學(xué)傳感檢測能力。一般來說，偶合于膜上的反應(yīng)物與自由溶液狀態(tài)的反應(yīng)物發(fā)生反應(yīng)的方式不同，在有些場合，反應(yīng)物偶合能提高它的穩(wěn)定性。

② 膜上的孔狀結(jié)構(gòu)要有足夠的滲透性，以保證化學(xué)樣品在規(guī)定的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)有充分的擴(kuò)散，這樣才能在該響應(yīng)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行測量。對于空隙很小的膜，其內(nèi)部溶液往往要30min才能與外界環(huán)境達(dá)到平衡，這對需要在數(shù)分鐘內(nèi)得到被測參數(shù)信息的應(yīng)用時(shí)不適宜的。

③ 膜的浸潤特性應(yīng)與被測環(huán)境相適應(yīng)。比如測量水溶液性物質(zhì)時(shí)使用的疏水膜是不合適的，同樣的，當(dāng)測量在油或脂類環(huán)境中進(jìn)行時(shí)，就要使用油浸潤膜。

④ 來自膜的漫反射光應(yīng)盡可能有固定不變的光譜響應(yīng)。這意味著膜不含有光譜吸收物質(zhì)，即使是非常好的散射材料也常常會(huì)使波長有些改變，但通常這些改變并不嚴(yán)重。在實(shí)際應(yīng)用中，普通膜材料都能滿足這一要求。

3 熒光型傳感與磷光型傳感

3.1 熒光型傳感

熒光現(xiàn)象直接與吸收有關(guān)，因?yàn)槟芰枯^低的輻射在再次發(fā)光之前必須要吸收光能量。產(chǎn)生熒光的效率取決于熒光物的濃度、吸收截面和量子效率以及光程長。在實(shí)際應(yīng)用中，熒光物水溶液的量子效率可接近于1.0（如熒光素），當(dāng)它的量子效率降到0.05時(shí)仍然是可用的。在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中可以調(diào)整其他一些參數(shù)，以確保最大限度利用激發(fā)光能量。

熒光分子具有特定的激發(fā)光波長范圍，在該范圍內(nèi)分子可以被激發(fā)，一旦受激，分子在短時(shí)間內(nèi)迅速衰減，其發(fā)射光譜也能確定。如簡單熒光分子若丹明-B的激發(fā)光譜和熒光光譜如圖2所示。可以看到熒光輻射發(fā)生在波長較長處，并且受激峰值波長（564nm）與輻射峰值波長（583nm）分界明顯。峰值波長差值稱為斯托克斯頻移，一般熒光物質(zhì)的斯托克斯頻移值大約是10～20nm（300～600波數(shù)），使用諸如藻膽蛋白這樣較復(fù)雜的分子可以得到較大的斯托克斯頻移。

為了在光纖傳感器中使用熒光效應(yīng)，就必須保證光源、熒光染料和探測器系統(tǒng)的光譜特性相互匹配。光源和探測器一般都為寬帶器件，需要附加濾波器使其工作于窄帶范圍，還可以構(gòu)造若干譜重疊積分運(yùn)算，以輔助系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

熒光現(xiàn)象的優(yōu)點(diǎn)是它允許測量環(huán)境中被測物與其他樣本同時(shí)并存；另外，散射光及表面粗糙度的不利影響可通過頻移減少到最低限度。在實(shí)際的光纖傳感器結(jié)構(gòu)中，熒光現(xiàn)象的應(yīng)用有如下兩個(gè)基本方法。其一是作為標(biāo)記方法；另一個(gè)是作為化學(xué)探測器。

圖2 熒光染料（若丹明-B）的激發(fā)光譜和熒光光譜

3.2 磷光型傳感

由于分子的受激態(tài)能維持?jǐn)?shù)納秒，因此具有熒光現(xiàn)象的有機(jī)化合物的應(yīng)該壽命通常非常短，另外，即使分子的受激態(tài)能維持較長時(shí)間，附近環(huán)境中的其他物質(zhì)也會(huì)使這些受激態(tài)分子返回基態(tài)。而對于固態(tài)物質(zhì)，其壽命則長得多，特別是可以利用其磷光現(xiàn)象。熒光和磷光的根本區(qū)別是：熒光是由激發(fā)單重態(tài)最低振動(dòng)能層至基態(tài)個(gè)振動(dòng)能層的躍遷產(chǎn)生的。正如熒光現(xiàn)象一樣，磷光現(xiàn)象也有兩個(gè)基本的應(yīng)用。

① 作為標(biāo)記方法: 它作為標(biāo)記物優(yōu)于熒光現(xiàn)象的地方在于，當(dāng)激發(fā)光散去之后仍存在磷光輻射，這樣就能消除激發(fā)光的散射影響，而激發(fā)光的散射影響正是熒光系統(tǒng)中限制系統(tǒng)性能的因素。

② 作為探測器： 磷光可以淬滅，這一現(xiàn)象可用于傳感。例如，在商品化的光纖濕度測量系統(tǒng)中，就利用了高溫下稀土磷光體的猝滅現(xiàn)象。

磷光現(xiàn)象的主要缺點(diǎn)是瞬時(shí)輸出光的能量低，為了解決這一問題，通常采取輸出信號(hào)的累加。

4 結(jié)束語

光纖生物傳感器由于其實(shí)用方便、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，已成為人們越來越關(guān)注的研究熱點(diǎn)。其小型化、規(guī)格化、商品化是將來發(fā)展的趨勢，因此根據(jù)不同需求，合理選取和應(yīng)用傳感機(jī)理的進(jìn)行設(shè)計(jì)尤為重要，相信在不久的將來將有成熟的產(chǎn)品推向市場。

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The Sensing Mechanism of Fiber-Optic Biosensor

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

This paper review the sensing mechanism of fiberoptic biosensor. There are three general kinds commonly employed：optical absorption in reaction tank, optical reflection and scattering with sensitive film, fluorescence sensing and phosphorescence sensing.Their sensing mechanism,characteristic and practical application are reviewed，respectively.

biosensor;fluorescence

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.08.027