光纤生物传感器

光纤在生物传感技术中的应用光纤生物传感器•生物传感器是将生物物质(比如酶、细胞、蛋白质、抗体、抗原、DNA等)作为识别物，把生物化学反应转换成为能够定量的物理或化学信号，从而实现对生命、化学物质检测及其监控的装置。•生物传感器按是否使用标记物分为两类：一类是标记型生物传感器，检测时先用荧光素、放射性同位素或酶等标记物对被测生物进行标记，然后通过检测标记物的信号来获取被探测物的信息。光纤生物传感器•目前使用的免疫传感器大多数属于这一类，然而利用放射性标记物检测，对于工作人员具有一定的危害，用荧光检测时非特异性荧光也会影响测量结果。•标记型生物传感器所用的测试仪器体积大、价格昂贵、耗时，需要专业人员完成，并且指示剂价格昂贵，要集合几十个样本同时测量，让患者在等待中承受巨大的痛苦。另一类是免标记型生物传感器，不需要对探测物进行标记，而是直接通过生物复合物形成时的物理、化学变化对生物对象进行检测，极大地简化了操作过程，因此免标记生物传感器成为了生物传感器的一个重要研究方向。光纤传感器•由于光纤传感器具有灵敏度高、结构简单、不易受电磁干扰等其它器件所不具备的优点，而免标记的生物检测方法又可以将生物化学反应直接转变为可测信号，不需要加入标记物，测试过程简单直接，因此免标记光纤传感器已经成为生物传感器研究的重要方向。原理•免标记光纤生物传感器的功能是将光纤上的生物敏感膜和被测物质直接接触时发生的特异性吸附反应转换成光信号，检测生物分子的特性。光纤生物传感器由两部分构成：传感段和传输段。•在传感段，首先要对光纤传感头表面进行特殊化学处理，如利用偶联法、自组装或偶联法结合卵白素-生物素桥连法等方式将生物靶分子固定于传感头表面。在发生生物化学反应时，目标分子会吸附于光纤传感头表面的生物膜层上，使生物膜层厚度增加，改变传感头表面的等效折射率，从而影响传输光信号的特性，如：谐振波长、光功率等。通过检测传感器输出光信号的变化就可以对被测生物分子的物理化学特性进行监测；另一部分是传输段，主要负责光信号的传输，一般会保留该段光纤的包层。研究现状•目前得到广泛研究的免标记光纤生物传感器按照工作原理不同可以分为：光纤表面等离子体共振生物传感器、光纤倏逝波生物传感器和光纤光栅生物传感器等。光纤表面等离子体共振生物传感器•光纤表面等离子体共振（SPR）生物传感器主要是基于光纤表面等离子体共振传感原理，通过探测光纤表面倏逝场区内折射率的变化来分析被测生物分子的特性，当倏逝场的区域内生物分子发生识别反应时，金属薄膜表面的折射率会随之变化从而改变表面波的共振角度。•当倏逝场的区域内生物分子发生识别反应时，金属薄膜表面的折射率会随之变化从而改变表面波的共振角度。共振角度变化的幅值取决于倏逝场区的平均有效折射率，通过检测这一变量就能够确定分析物在该区域的结合数量。由于该传感器具有生物样品无需标记且可实时监测反应动态过程的特点，特别适于生物分子的检测以及分子之间相互作用的研究。光纤倏逝波生物传感器•光纤倏逝波传感器是基于倏逝波原理工作的，光纤中的倏逝波是光在纤芯与包层间进行全内反射式传输时产生的。当光以一定角度入射时，在纤芯与包层的分界面上就会产生全反射，部分光会垂直于分界面透射至包层中，但透射波的幅值随着透射深度的增加而呈指数衰减，所以只能存在一段很小的距离，一般在波长量级，这种波就称之为倏逝波。•作为生物传感器使用时，要将传感段的光纤包层去除，当分析物与识别分子发生生化反应时，会被吸附于纤芯表面，从而影响倏逝波的透射深度，这时传输光能量就会发生变化，通过检测传输光的特性就能得到被测生物分子的特征。直型倏逝波生物传感器•直接剥去光纤的包层，在光纤纤芯固定识别分子，实现对被测分子的检测这种结构中传输段和传感段之间由于结构的突然变化会出现模式的不匹配，增加传输损耗，从而影响到测量的灵敏度。锥型倏逝波生物传感器•这种结构可以避免光纤探针结构的突变，纤芯以锥形区过渡至传输段。这种结构增加了传感区的面积和倏逝波的透射深度，提高了灵敏度，是目前最常用的一类倏逝波传感器。U型倏逝波生物传感器•为了进一步提高探测的灵敏度，人们通过使传感部分的纤芯发生弯曲的方法来提高倏逝波的透射深度。研究表明，这种结构比起直型传感器的灵敏度有很大的提高，且随着弯曲半径的减小灵敏度迅速增加。但这种结构体积比起前面几种要大很多，而且制作相对困难，由于弯曲后内外两面受力不均，光纤也容易折断。2011年，SaiVVR等人将去掉包层的光纤进行弯曲，由于弯曲增加了倏逝波的穿透深度，从而提高了传感器的灵敏度。光纤光栅生物传感器•均匀光纤光栅按照光栅周期分为两大类：布拉格光纤光栅和长周期光纤光栅。•布拉格光纤光栅又叫做反射式光纤光栅，光栅周期只有数百纳米。布拉格光栅的工作原理为：波长满足条件的入射光在光纤内传输，会受到光栅的反射产生窄带反射光谱。当被测参量改变时，会导致有效折射率的变化，反射谱的谐振波长会随之漂移；长周期光纤光栅的周期较大，一般为数百微米。波长满足条件的光在纤芯内传输时会被耦合至包层中迅速衰减下来，在透射谱中出现吸收峰。BcoeffBn2LcleffcoeffLnn)(光纤光栅生物传感器•作生物检测时，光纤的有效折射率会受到外界生物膜层厚度的影响，从而使吸收峰的谐振波长发生漂移。光纤光栅生物传感器•制作生物传感器时，要将光纤栅区的涂覆层去除，并在其表面利用化学方法预制基底生物膜。在发生特异性反应时，被测生物分子被吸附于生物膜上使生物膜层的厚度增加，从而改变了传感器表面有效折射率，使传输光谱的谐振波长发生变化，所以通过检测光纤谐振波长的漂移可以得到被测生物分子的浓度。生物传感器的应用和发展前景•近年免标记光纤生物传感器广泛应用于体液中微量蛋白、小分子有机物、和核酸等多种生化物质的检测，而这些参数是现代临床医学诊断和病情分析的重要依据。生物传感器对大分子相互作用的监测，可以动态观察抗原、抗体的结合与解离平衡，准确测定抗体的亲和力以及识别抗原表位，有助于人们了解单克隆抗体的特性，从而有目的地筛选最佳应用潜力的单克隆抗体。生物传感器的应用和发展前景•生物传感器的研究工作不仅可以促进生物医学领域的发展，还可以促进相关领域研究工作的发展，比如在食品、环境科学中测定食物中营养物和抗生素的水平，食品中细菌和真菌污染量以及空气或水传播的毒素，杀虫剂和除草剂。生物传感器的在线分析能力和高灵敏度、微量样品需求的特点，使得这种仪器成为食品及环境安全监控的理想工具。