光纖生物傳感器的傳感機制

黃 政 貴州大學職業技術學院, 貴州貴陽 550003

光纖生物傳感器的傳感機制

黃 政 貴州大學職業技術學院, 貴州貴陽 550003

本文綜述了光學生物傳感器的傳感機制，按照其光學現象來進行傳感可分為反應池光吸收型、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、特點及實際應用。

生物傳感器；熒光

引言

傳感器是能感受某種被測量信號，并將其轉換成聲、光、電等信號的元件，包括敏感元件、轉換元件以及相應線路等。傳感器的種類很多，其中以抗原抗體、酶、核酸、細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，而以光纖傳導和收集光信號進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所產生的光，通過檢測光的強度、振幅、相位等參數確定被檢物質的量。與其他傳感器相比，這種傳感器具有抗電磁干擾能力強，不用參考電極，可以實現探頭微型化以及用于遙測和適時檢測等優點。

1 反應池光吸收型傳感

光纖傳感器系統中，可利用一系列光纖現象來傳感化學量，其中最簡單的方法莫過于在特定波長處的光吸收效應，光吸收效應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反應池，由化學反應池返回的光用另一根光纖或光纖束收集。光吸收的強弱取決于待測分子的吸收率、光程及光波長。一束準直光在吸收介質中經過距離z后檢測到的光強由式（1）表示：

在一個光纖化學傳感系統中化學反應物的種類及其濃度通常需滿足下面兩個條件。

① 在被測參數變化范圍內（如某種被測化學物的濃度最小值和最大值），受該參數制約的傳輸光強變化必須足夠大以獲得相當的靈敏度。一般而言，在測量范圍內，該變化值為信號強度的一個至兩個數量級比較合適。當然，這只是一個度。在這種情況下，需要有一個非線性強度函數，為了得到最高的精確度，在被測量參數的變化范圍內，信號強度應有最大的變化量。

② 在最大吸收時，化學反應物中的光傳輸量仍需維持足夠大，因為在有噪聲的情況下，信號必須有足夠大的相對值。實際上，這意味著傳感元件的光損耗（其大小由待測反應物及傳感器構造共同決定）不能太大，否則將難以從干擾（諸如周圍泄露光等）中分離信號分量。這一要求并不是指傳輸的光信號必須比周圍光信號大。如果采用光源調制及窄帶檢測方法，只要總光量大致使探測器或信號處理電路出現飽和，則比環境光小得多的信號光仍是容許的。

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

2 敏感膜光反射與散射型傳感

“單端”光纖系統具有較多的優越性，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成一類更具優越性的光纖傳感器。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，并且漫反射不僅發生在膜表面還發生于膜內。待測物的加入能改變反向散射光的強度。這種光強度的變化可以通過一種單向方式監測，即在入射光纖相同的方向上放置一根接收光纖。在實際應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的反應物支撐材料是相當重要的。

圖1 膜吸收—散射傳感原理

① 膜能實現反應物的化學偶合或結合反應物的同時又不影響反應物的光學傳感檢測能力。一般來說，偶合于膜上的反應物與自由溶液狀態的反應物發生反應的方式不同，在有些場合，反應物偶合能提高它的穩定性。

② 膜上的孔狀結構要有足夠的滲透性，以保證化學樣品在規定的響應時間內有充分的擴散，這樣才能在該響應時間內進行測量。對于空隙很小的膜，其內部溶液往往要30min才能與外界環境達到平衡，這對需要在數分鐘內得到被測參數信息的應用時不適宜的。

③ 膜的浸潤特性應與被測環境相適應。比如測量水溶液性物質時使用的疏水膜是不合適的，同樣的，當測量在油或脂類環境中進行時，就要使用油浸潤膜。

④ 來自膜的漫反射光應盡可能有固定不變的光譜響應。這意味著膜不含有光譜吸收物質，即使是非常好的散射材料也常常會使波長有些改變，但通常這些改變并不嚴重。在實際應用中，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

熒光現象直接與吸收有關，因為能量較低的輻射在再次發光之前必須要吸收光能量。產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。在實際應用中，熒光物水溶液的量子效率可接近于1.0（如熒光素），當它的量子效率降到0.05時仍然是可用的。在實驗系統中可以調整其他一些參數，以確保最大限度利用激發光能量。

熒光分子具有特定的激發光波長范圍，在該范圍內分子可以被激發，一旦受激，分子在短時間內迅速衰減，其發射光譜也能確定。如簡單熒光分子若丹明-B的激發光譜和熒光光譜如圖2所示。可以看到熒光輻射發生在波長較長處，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，一般熒光物質的斯托克斯頻移值大約是10～20nm（300～600波數），使用諸如藻膽蛋白這樣較復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，就必須保證光源、熒光染料和探測器系統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，還可以構造若干譜重疊積分運算，以輔助系統優化設計。

熒光現象的優點是它允許測量環境中被測物與其他樣本同時并存；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。在實際的光纖傳感器結構中，熒光現象的應用有如下兩個基本方法。其一是作為標記方法；另一個是作為化學探測器。

圖2 熒光染料（若丹明-B）的激發光譜和熒光光譜

3.2 磷光型傳感

由于分子的受激態能維持數納秒，因此具有熒光現象的有機化合物的應該壽命通常非常短，另外，即使分子的受激態能維持較長時間，附近環境中的其他物質也會使這些受激態分子返回基態。而對于固態物質，其壽命則長得多，特別是可以利用其磷光現象。熒光和磷光的根本區別是：熒光是由激發單重態最低振動能層至基態個振動能層的躍遷產生的。正如熒光現象一樣，磷光現象也有兩個基本的應用。

① 作為標記方法: 它作為標記物優于熒光現象的地方在于，當激發光散去之后仍存在磷光輻射，這樣就能消除激發光的散射影響，而激發光的散射影響正是熒光系統中限制系統性能的因素。

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

磷光現象的主要缺點是瞬時輸出光的能量低，為了解決這一問題，通常采取輸出信號的累加。

4 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，因此根據不同需求，合理選取和應用傳感機理的進行設計尤為重要，相信在不久的將來將有成熟的產品推向市場。

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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