浅谈光纤生物传感器

浅谈光纤生物传感器

一、摘要

光纤生物传感器是传感器的一个新的研究方向在近十年中取得的研究进展令人瞩目并已用于医学病原体、地下水污染、生化武器和环境样品等的快速检侧，对其发展状况作详细报道。本文介绍了当前的光纤生物传感器的现状及发展，其在生物研究领域中的应用。

二、关键词

光纤生物传感器、发展、应用

三、前沿

最近十几年以来随着光纤技术的迅速发展，光纤传感器在生物医学方面的应用已引起人们的广泛兴趣，它的研究十分活跃。我们把用于生物和医学方面的光纤传感器称为光纤生物传感器。本文不讨论诸如温度、压力等物理量检测方面的生物传感器，而只论述与生物医学有关的化学物质检测的光纤化学传感器。这类传感器是利用光学性质的变化及化学反应原理所组成的一类新型装置，也有人称它为光电极的。由于它们表现出来的和可预见的潜在优点，受到人们越来越多的重视。从电极角度来讲，光纤生物传感器的信号是光，不受电的干扰，不需要“参比”电极探头不与光纤发生化学反应一个简单的分光；光度计可以用于几个光纤生物传感器可使用多个波长及闪烁信号。从医学应用角度来讲，光纤生物传感器安全，人体不接触电流，探头小，可弯曲便于插入体内有许多种适于植入体内的材料可供选择，制作传感器。随着研究的深入，光纤生物传感器将在生物医学上发挥重要作用，此文想就光纤生物传感器的概况作一简单的介绍。

四、正文

1、光纤及其在光纤中的传导

光纤一般有纤芯、包层和复盖层组成。纤芯通常由玻璃、石英、塑料等材料

制成，直径约为5——150微米，包层由折射率低于纤芯的透明物质组成，复盖层是一层不透明物质、光纤的外径约为125——350微米。由于包层与纤芯的折射率不同，它低于纤芯，结果就造成射入光纤的光在它们的界面反射，使得光沿着光纤而传导。当激光照射光纤的一端时，光沿着光纤传导至另一末端并脱离光纤而成一光柱。这种光柱是圆形的，其直径的大小与入射光相同，用聚焦光照射时，其末端的光柱呈锥形，它们的散射程度是由纤芯物质和外部液体的折射率来决定的。这个光柱所达到的范围叫做发光区，在这区域内光的变化均能再进入光纤并传导到光的检测部分。在裸光纤即无包层的光纤情况下，如果外部液体的折光率仍比纤芯小，光可沿光纤传导但有一部分光进入外部相。进入外部的光的强度随着与纤芯表面的距离加大而急骤减小，特殊情况下，仅仅在一定的范围、内是有效的。目前所研究的光纤生物传感器主要是利用了光纤的这种传光性质，光纤的其他性质尚未被很好利用。我们的讨论也基于这点。

2、光纤生物传感器的介绍及应用

（1）、光纤生物传感器的基本构造

光纤生物传感器通常有三部分组成：

探头：它是由半透性的套及参与化学反应的试剂如染料等组成的，起着与被检测物质发生反应从而引起光的变化的作用，为传感器的关键部分户。

光纤：它是入射光及待检测光的传导部件；

光源及检测装置：对一种传感器来说这三部分是缺一不可的，而探头的设计特别重要的，它关系到传感器的检测范围、灵敏度等，是传感器研究的重点。

（2）、应用光纤生物传感器测量肿瘤

目前，光纤生物传感器的发展趋势有两种:一种是在光纤的探头上安置敏感元件，利用其感受信息并产生光效应从而测定人体或生物体内的生物化学量，例如光纤pH 值、pO2 和pCO2 传感器，就是用荧光指示剂作为敏感元件来感受信息的。再如光纤基因传感器是将基因探针固定在光纤探头上，然后与目的基因杂交，借助杂交指示剂产生的光效应来检测基因。另一种就是直接利用光纤探头作为光源来照射生物样品，然后接收、分析反射、荧光、拉曼散射等光信号来

获得生物信息。例如光纤氧饱和度传感器就是利用氧合血蛋白与血红蛋白对光的吸收特性不同，测量其反射光强来得到血氧饱和度；再如带全反射光谱技术( ATR )光纤探头的傅里叶变换红外光谱( FT I R )对肿瘤在线原位检测系统，是利用癌变组织与正常组织的ATR光谱特性不同来进行诊断的。

（3）、PH光纤传感器

1977年科学家们首先研究出了PH光纤传感器，它是以酚红作为指示剂的，并固定化在聚丙烯酸胺的微球上，装在一个离子通透性的纤维素套内，同时还加入了一些聚乙烯微球起散光作用。两根150微米直径的塑料光纤插入纤维素套中组成一个传感器。

为了检测染料酚红的碱性状态，测定光选用560纳米，而红光600纳米用作光的参比。红、绿光的比例与PH的大小有关，为此从它们的比例情况就可得到PH的数值。这种PH光纤传感器的测定范围是PH7——7.4，精密度达0.01PH单位，完个适川生理状态的ph值的测定。它所得到的结果与ph电化学电极和血气分析仪的结果是一致的。

（4）、氧光纤传感器

Peterson等设计了一种氧光纤传感器，它的装置类似于前面讲述的65 光纤传感器。作用原理是，染料的萤允可被氧所淬灭，而未被淬灭的萤光可作为氧的函数来测定，所以根据荧光的大小亦就可知道氧的含淤。他们所用的染料是芜二丁配。用大孔的聚乙烯吸附剂吸附这些染料并放在多孔的聚丙烯套中、分又的光纤插入套内组成氧光纤传感器。激发光蓝光由一根光纤传导到聚丙烯套中，使固定化的染料产生黄绿色的萤光，其强度决定于氧分压并由另一根光纤传送到测光装置而得到俭测。这种氧光纤传感器测定氧分压的范围在0——150mmHg，精确度为1mmHg。适于正常人的氧量的测定。

（5）、光纤纳米生物传感器

在生物学、医学研究中，传统的生物传感器体积较大，仅能用于组织、细胞悬液等的测量，当检测样品的尺寸缩小到微米级时，如检测活细胞或其它亚细胞组分时，实时、准确、无干扰地测量样品内化学和自然成分变得极为困难。

随着新技术、新工艺的发展，制造纳米光纤探针和纳米敏感材料的技术逐步成熟，运用纳米光纤探针和纳米级的识别元件检测微环境中的生物、化学物质成为可能。运用这种高度局部化的分析方法，使能够监测微环境(如:细胞、亚细胞结构)中各成分浓度的渐变以及其在空间的不均一性。

（6）、光纤免疫传感器

这是目前研究与应用较多的光纤生物传感器。光纤探头多位于轴向近端面，须去除保护层和包层，裸露纤芯，再对纤芯进行硅烷化处理，然后抗体藉助双功能交叉联结剂共价连接在硅烷化纤芯表面C抗体的固定方式是影响传感器检测灵敏度的重要因素。

免疫传感器检测方法分为直接法竞争法和夹心法。直接法就是将待分析物进行荧光标记，然后与光纤探头作用。竞争法是未标记的抗原和标记的定量抗原竞争结合于光纤探头，通过检测激发的荧光强度测量未标记的抗原的含量。夹心法标记的是抗体，可分为一步法和两步法，前者首先让标记的抗体与抗原结合，然后再与固定的光纤表面的抗体结合；后者是先让未标记的抗原作用于光纤探头，然后再与标记的抗体结合，检测激发的荧光强度分析被测物含量。其中两步法灵敏度较高，检测的下限低，荧光信号强度强。

（7）、氨光纤传感器

Giuliani等利用光的折射原理设计了氨光纤传感器。他们把嗯嗓染料涂在光纤的无包层部分的外表面从而制成了传感器。当使用时，氨与染料作用，使它的颜色发生改变，进而改变了光的折射和强度，这些光由光纤继续传导并被测定。光的强度与氨的量有关系，因此氨的含量就可根据光的大小来测定。

3、问题及发展现状

光纤生物传感器利用生物活性物质识别被测物，经过多次使用后活性下降，传感器长期稳定性、可靠性和一致性还不很理想。光纤过于敏感，对周围温度扰动、光源起伏、藕合器、光纤弯曲和振动及周围光线过于敏感。在免疫分析中荧光试剂漂白现象严重。同其它的生物传感器比较，响应线性范围较窄。尽管如此，光纤生物传感器目前发展势头良好，并已经有一些传感器迈向实用化阶段，用于