第4章 光化学与生物传感器-1

Fluorescence intensity
550
600
650
700 Wavelength / nm
750
敏感膜与不同浓度锂离子溶液平衡后的荧光光谱（ex=420nm）
磷光
1930年代 Kautsky，Hirsch 吖啶黄/荧光素 硅胶 磷光 氧
化学发光
鲁米诺 + H2O2
催化剂
产物 + hv
4-1-2 光谱学基础
紫外与可见吸收
R H2O
R
F3C
O
HO
OH CF3
基于三氟乙酰苯衍生物的湿度传感器
红外吸收
荧光
35 30 25 L K J I H G F E D C B A
20 15 10 5 0
(A) (B) (C) (D) (E) (F) (G) (H) (I) (J) (K) (L)
优势4 检测方面的优势
光化学传感器所涉及的许多光学信号测量利用了 自参比方式，因此不再需要外部的参比信号。这点对 微型生物传感器来说特别有利。对于微型生物电传感 器来说，两个电解质之间的液－液接界电位往往是误 差的主要来源。
优势5 理论及实验基础雄厚 光学方法在分析化学中有较长的历史，一直占有重 要地位。各种光度试剂，如吸光光度试剂、荧光试剂和 化学发光试剂等都获得了充分发展。通过适当的修饰方 法用于光化学传感器，能大大丰富现有传感器的测试对 象。尤其是许多电化学传感器不能直接检测的中性分子 可用光化学传感器直接检测。另一方面，基于光纤的物 理光学性质，发展了许多新技术。例如，利用光导纤维 消失波制成的免疫传感器，能在线地分析抗原和抗体， 这是非放射免疫分析方法的一项重要突破。
全内反射
消失波
光学波导构型
光学波导损耗
光导纤维制造工艺简介
4-1-4 测量仪器
•光源和光检测器
•激光器 •发光二极管
•灯光源
•光电二极管(PD)
•光电倍增管(PMT)
•光极探头设计
聚合物保护层
热电偶
光 导 纤 维
pH传感器 pCO2传感器 1mm pO2传感器
压力传感器 20号动脉导管
800 850
pH7.0 Tris-HCl buffer pH9.0 Tris-HCl buffer 510-6 mol/L Li+ 510-5 mol/L Li+ 510-4 mol/L Li+ 510-3 mol/L Li+ 110-2 mol/L Li+ 510-2 mol/L Li+ 0.1 mol/L Li+ 0.5 mol/L Li+ 1.0 mol/L Li+ 0.1 mol/L NaOH
4-1-5 光化学传感器的分类和特点
分类标准
光学波导 传光型 功能型
光学信息
吸收、反射、 散射、折射、发光
复杂程度
普通光学波导型
化学修饰型 生物修饰型
光学波导
在传光型光化学传感器中，光学波导器件只起传输光的 作用，利用检测对象本身或另外修饰上去的敏感层的光学性 质来完成检测。目前很多光化学传感器是属于传光型的。例 如测量电镀液中铜离子浓度和环境中UO22+浓度，利用的是检 测对象本身的光学性质，光纤都只是用来传输光的。功能型 传感器又叫做传感型传感器，或本征传感器，利用了光纤本 身的性质。最初，功能型传感器都是用于物理参数的测量。 氢气传感器可能是最早用于化学参数测量的例子。这种传感 器利用了光纤压力传感器Mach-Zehnder干涉效应：光纤表面 涂覆的钯黑吸附氢气后压缩光纤，使传输光相位发生变化。 基于消失波的传感器也可以看作功能型的。例如，光导纤维 的一段包层被剥去，代之以敏感试剂层。
敏感层，因此具有选择性好、测量对象多等优点，但随之而
来的是光漂白和试剂洗脱等问题。这类传感器根据测量机理 的不同，又分为简单配合物体系、离子交换体系和共萃取体 系等。
复杂程度--生物修饰型
事实上，并不是所有的物质都有相对应的合适的
指示剂。为了解决这个问题，常在普通光学波导传感
器或化学修饰光化学传感器上在修饰一层生物敏感层。 生物敏感层与分析对象相互作用，产生能被普通光学 波导传感器所检测的光学信号或能被化学修饰光化学 传感器所检测的物质。这类基于生物识别的光化学传
目 录
4-1 基本概念
4-1-1 4-1-3 4-1-5 4-1-6 发展概况 4-1-2 光谱学基础 光学波导基础 4-1-4 测量仪器 光化学传感器的分类和特点 传感器特征 4-2-2 敏感层支持材料 4-2-4 电价固定法
4-2 敏感试剂固定化方法
4-2-1 概述 4-2-3 机械固定法 4-2-5 共价固定法
固有的光学性质，因此也称为被动光极。这种传感器的选择
性受到制约，而且分析对象也受到限制。但是这种传感器不 存在光漂白和试剂被洗脱的问题，因此寿命长，稳定性好。 又因为不存在样品与敏感层中试剂的作用，其响应时间短， 能瞬间检测到样品性质的变化。这类传感器在实际应用方面
处于领先地位。如环境中铀酰离子的测定、血液氧饱和度的
光学信息
光学信息是多种多样的。因此，光化学传感器
又可分为吸收、反射、散射、折射和发光等多种类 型。其中基于发光现象的光化学传感器是最为庞大 的一支。它又可分为荧光、磷光、化学发光等不同 类型。
复杂程度--普通光学波导型
普通光学波导传感器是结构最为简单的一种。它本身不 具备化学识别功能，其传感机理被动地依赖于分析对象本身
Hesse
Hardy
将光化学传感器与光纤联系起来
光纤全内反射
1980
Peterson
pH，血气测量
里程碑
材料、器件的发展
古代 1951 1970年代 1970年后 气相沉积法 烽火台 玻璃光纤 光通信 损耗大 100-1000dB/km $X00/m 0.2dB/k 1980年 $5-10/m
窗玻璃
4-3 信号转换方式 4-4 发展方向
4-1 基本概念
4-1-1 发展概况
历 史
1930年代 Kautsky，Hirsch 吖啶黄/荧光素 硅胶 1968 1975 Bergman Lubbers，Opitz 荧蒽 芘丁二酸 磷光 氧 聚乙烯 荧光 氧 聚乙烯 荧光 氧
气敏光化学传感器
1974
1975
压力传感器 温度传感器 磁传感器
压 力 、 温 度 物理量传感器 触觉
光
光传感器
视觉 听觉
压力、声 音、磁
脑 信
心
处 理 中 生物体反应： 跨膜运输 酶反应 免疫反应 核酸杂交
化学∕生物传感器
嗅觉：各种 有味气体
息
气体传感器 气味传感器 味道传感器
味觉：有机物 无机物 （盐、 （香、甜、苦味） 酸味）
体内测量等。
复杂程度--化学修饰型
由于普通光学波导传感器本身不具备化学识别功能，因
此常在光学波导器件的适当位置固定一层化学试剂（敏感层）
以提高光化学传感器对分析对象的识别能力。这类光化学传 感器通过修饰的试剂敏感层与分析对象之间的相互作用来产 生可检测的光学性质变化，不再依赖于分析对象本身的光学 性质，因此又称为主动光极。由于增加了有化学识别功能的
不同物质 + 同一频率光：不同拉曼频移 同一物质 + 不同频率光：相同拉曼频移、不同拉曼光频率 拉曼与荧光的区别：荧光的hv改变，hv’不变 拉曼的hv改变，hv’改变，但不变
折射、反射、衍射和干涉
偏振
其他技术
4-1-3 光学波导基础
•全内反射 •消失波 •光学波导构型 •光学波导损耗 •光导纤维制造工艺简介
复合光极
血管
włókno wprowadzające
membrana optyczna
światłowody planarne na podłożu
siatka dyfrakcyjna
membrana optyczna
światłowód
podłoże laser detektor
拉曼散射
Raman spectrum for CCl4 excited by laser radiation of 0 = 488 mm and = 20, 492 cm-1. The number above the peaks is the Raman shift, cm-1.
拉曼频移（与Stokes位移相对比）：定性分析及结构分析的基础
光化学传感器（光极） Opຫໍສະໝຸດ Baiduical Chemical sensors Optrode Optode
pH电极
pH试纸
参考文献
• 王柯敏， 光化学传感器理论与方法 ，湖南教育 出版社，长沙，1995 • Joseph R. Lakowicz, Topics in Fluorescence Spectroscopy. Volume 4, Probe Design and Chemical Sensing, New York Kluwer Academic Publishers, New York, 2002 • Otto S. Wolfbeis, Fiber-Optic Chemical Sensors and Biosensors, Analytical Chemistry, 2004, 76(12), 3269 - 3284; (Review)
缺陷1 环境光的干扰 一般情况下，光化学传感器的探头部分应该避免环 境光的影响，有时可以利用编码方法消除背景干扰。 目前利用电子部件很容易实现各种不同的编码方式。
优势2 信号传输的特点
光导纤维的传输损耗小，是目前除超导器件外 传输损耗最小的传输线。目前光导纤维的损耗可降 至0.2dB/km，已接近理论极限，而载频通讯用同轴 电缆的损耗也有10dB/km。这就为遥测分析提供了 强有力的手段。另一方面，光导纤维的传输容量大， 一根通讯光纤可容纳几亿路电话，这对于构成传感 器阵列特别方便。这些都是其它传感体系所不具备 的优势。
优势3 环境适应性好 光化学传感器的抗腐蚀能力强并且抗电磁干扰， 探头可在高温、低温、腐蚀性、易燃、易爆、强电场 及放射性等恶劣环境中使用。对电化学传感器有较大 影响的静电、表面电势、强磁场等均不干扰光学信号。 而且由于探头不带电，特别适用于临床检测及生物化 学的研究，避免了电刺激对测量环境的影响。
感器具有更高的选择性和灵敏度。酶、抗原、抗体是
光化学传感器中用得较多的生物物质。
光化学传感器的特点
优势1 几何外形上的优势
光学波导器件易于加工成小巧、轻便和空间适应性 好的探头。从原理上讲，光导纤维及其探头的直径可以 小到与其传导的光波长属同一数量级。目前，直径 100m的普通石英光纤可拉制成直径0.1m以下的探针。 这样小巧的探针可直接插入那些非整直的空间和无法采 样的小空间（如活体组织、毛细血管、细胞等）中，对 分析对象进行连续监测。由这种探针制成的亚微米光导 纤维化学传感器已能对活体胚胎的pH进行连续监测。另 一方面，各种电光、光电器件的小型化和集成化，使得 整个分析仪器变得小巧轻便。基于发光二极管、光电二 极管及集成电路，可制成轻巧紧凑的光化学传感装置。
数千dB/km
1990年 $0.1/m
光学玻璃 >500dB/km 同轴电缆 10dB/km
光纤通信
光学波导
光源
检测器
被检测的信号
检测对象
无机离子
常规的光谱信息 二次谐波 光致发光 相分辨
无机中性分子 芳香烃 脂肪烃 醇
等离子体共振(SPR)
胺
有机酸 药物、酶 … …
光化学传感器，又称光极，是建立在光谱化学和光学波导与 量测技术基础上的将分析对象的化学信息以吸收、反射、荧光或 化学发光、散射、折射和偏振光等光学性质表达的传感装置。
离子传感器 酶传感器 免疫传感器 基因传感器
定义
1991年，IUPAC将化学传感器定义如下：
1990年，O.S.Welfbeis的定义：
国标GB/T 7665-1987《传感器通用 术语》“能感受规定的化学量并转 换成可用输出信号的传感器”
化学传感器
Chemical Sensors
电化学传感器 Electrochemical Sensors
第四章 光化学与生物传感器
分析化学的重要任务： 选择性获取物质的化学信息
通常的做法： 社会发展的要求： In line interface 各种分析方法 GC，LC，IR，MS，NMR … On line
取样
实验室
In vivo （in vitro）
……
• 把获取的信息进行转换，即将其 转换成一种与被测量有对应关系 的便于传输处理的信号（通常是 光、电信号） • 这种通过获取信息并把其转换为 某种信号加以传输与处理的过程 非常类似于人利用感官感受外界 信息并把其送达到大脑进行处理 的过程。