基于光纖維生物傳感器的研究

劉江明

摘要：光與生物有著密切的聯(lián)系，光是_種電磁波，光的傳播速度是300000000米每秒。光與生物學之間的關(guān)系可以概括為：生物發(fā)光反應(yīng)；光在生物物質(zhì)中的能量傳遞，譬如生物物質(zhì)的光吸收、光猝滅和受光激發(fā)等。生物反應(yīng)物質(zhì)對光的傳播影響。隨著高科技的發(fā)展，已經(jīng)研制出光纖維生物傳感器，光纖維生物傳感器主要有光學器件檢測光的靈敏度非常高，當然那用光纖維制成的生物傳感器靈敏度也非常的高。另外，光信號的傳播不受外界電磁波的干擾，傳感器的噪聲低。光纖生物傳感器指用光導纖維及其檢測器與生物分子識別器組裝構(gòu)成生物傳感器。

關(guān)鍵詞：生物反應(yīng)；生物傳感器；光纖維生物傳感器；生物分子

1引言

生物傳感器是一類特殊的傳感器，它與生物學、化學、物理學、信息科學及相關(guān)技術(shù)融為一體。生物傳感器是一類可將生物信息轉(zhuǎn)換為可分析信號的器件，其通常包括兩個基本功能單元，即是接受器和換能器。目前已經(jīng)發(fā)展成為一門活躍的領(lǐng)域，并展現(xiàn)了生物傳感器的廣闊應(yīng)用前景。

生物圈中存在著許許多多的物質(zhì)，它們與遺傳或是代謝的基本元素、中間體，影響著生物學過程的各個方面，我們把它稱作生命物質(zhì)或與生命相關(guān)的物質(zhì)。人們對這些物質(zhì)進行分析的發(fā)展，取決于人們的科學活動或探索實踐。隨著人類對生命的本質(zhì)、生命過程和生命體與其生存環(huán)境信息交流的認知不斷深入，研究發(fā)展新的技術(shù)手段顯得越來越重要。

分析生物是一個非常重要的鄰域，那就是生物傳感器的研究。生物傳感器他是一個典型的多學科交叉產(chǎn)物，它結(jié)合了生命科學、分析化學、物理學和信息科學及其相關(guān)技術(shù)，實現(xiàn)對所需要的物質(zhì)進行檢測并進行快速的分析和追蹤。生物傳感器的問世，是科學家的技術(shù)和科學發(fā)展及社會發(fā)展需求多方面雙驅(qū)動的結(jié)果。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)成為一個涉及內(nèi)容廣泛、多學科的介入和交叉，是一個充滿創(chuàng)新活力的領(lǐng)域。

2傳感器的結(jié)構(gòu)

主要由兩部分組成，生物敏感膜和換能器。當被分析的物質(zhì)進入固定化的生物敏感膜，經(jīng)分子識別，發(fā)生生物學反應(yīng)，產(chǎn)生的信息被相應(yīng)的化學換能器或物理換能器轉(zhuǎn)變成可定量和可處理的電信號，如圖1所示。

生物敏感膜又稱為生物識別元件，是生物傳感器的關(guān)鍵部分，直接與生物傳感器的功能質(zhì)量有關(guān)。根據(jù)生物敏感膜的材料不同，其組成可以是酶、核酸、免疫物質(zhì)、全細胞、組織、細胞器或他們不同的組合，近年來科學家還研究出了，高分子聚合物模擬酶，使得分子識別元件的概念進一步拓展。

換能器的作用是把各種生物的、化學的和物理的信息轉(zhuǎn)化為電信號。生物學產(chǎn)生的信息是多樣化的，微電子學和傳感技術(shù)的現(xiàn)代的成果為檢測這些信息提供了豐富的手段，使得研究者在設(shè)計生物傳感器的時候，對換能器的選擇有足夠的余地。設(shè)計的生物傳感器成功與否取決于設(shè)計方案的科學性和經(jīng)濟性。

光導纖維簡稱光纖，由超純玻璃和其它材料制成。纖維表層的折射率比中心折射率低，光在纖維中傳播以全反射形式向前傳播，最終把光傳到很遠的地方。光纖的導光范圍與制成光纖的材料有關(guān)，熔硅纖維可以測量紫外光，波長范圍最低是220nm，熔硅的材料較貴。用玻璃制成的纖維可以測量可見光，與熔硅相比測量的波長范圍就小，成本次之。塑料纖維最便宜，但是測量的波長范圍必須是450nm以上，否則測不了。制成的光纖直徑，一般在50至200微米左右。

光纖傳感器可以分為單芯和雙芯兩種，在光纖端部的敏感部位稱為反應(yīng)相。如果反應(yīng)相中是生活性物質(zhì)在起作用，則稱為生物光纖或生物光極。在雙芯光纖中，光從一束纖維傳到反應(yīng)相，再從另一束光纖傳出。反應(yīng)試劑或指示劑被固定在球形載體上，用管狀膜將敏感物質(zhì)及載體套在光纖端部，分析底物透過敏感物質(zhì)作用。在管狀膜的端點有一個“黑塞”，它能阻止入射光作用于外部溶液中，避免潛在的干擾。

3傳感器的特點

光纖維生物傳感器有著許多的特點，具體如：無須參比電極；由于信號是光，不受到外界的電子干擾，這種特性在有電磁場的干擾情況下顯得特別的重要，光纖維生物傳感器可以保持原信號繼續(xù)傳播；不需要把生物分子識別器“真正的”固化在纖維上，從而反應(yīng)相容易更換；當用于體液測定時，光纖比其他電子元件較為安全；某些分析底物在光學平衡基礎(chǔ)上被敏感，而不是在電化學平衡基礎(chǔ)上被敏感，當達到平衡時，不需要持續(xù)的向傳感器表面?zhèn)鬏數(shù)孜铮瑢囟炔▌雍鸵毫鳁l件都不如電流型電化學傳感器敏感。當進行雙波傳播時，光纖生物傳感器的穩(wěn)定性很高；光纖生物傳感器可以實現(xiàn)多功能傳感器，譬如當同時測定許多種底物時，可以用對應(yīng)的多種酶和不同的波長便能實現(xiàn)同時測定多種底物。光纖可以結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)可以制成微米級別，為微型生物傳感器提供了制作材料；光纖制成的生物傳感器可以任意彎曲，可以保持以最小的損失實現(xiàn)長距離的傳輸，這樣方便實現(xiàn)工業(yè)化操作和較容易控制。與光效應(yīng)偶聯(lián)的反應(yīng)有很多種，具有普遍的現(xiàn)實運用意義。

光纖生物傳感器的優(yōu)點有很多，該傳感器不僅有光學的知識，傳播速度快穩(wěn)定，而且還有生物的性質(zhì)。光纖生物傳感器是把光學知識和生物知識有效的結(jié)合起來，這是一個典型的交叉學科融合為一體，為推進高科技技術(shù)的發(fā)展取到催化劑的作用。

在發(fā)展新技術(shù)的今天，光纖越來越離不開人們的生活，光纖不僅可以傳輸大量的信息，而且還是利用光進行傳輸。我們都知道光的速度是很快的，當然人們利用光纖傳輸信息的速度也就是很快的。傳感器與光纖技術(shù)很好的配合使用，可以為光纖生物傳感器帶來意想不到的效果。

光纖維生物傳感器，是具有高度靈敏性的一種生物傳感器?，F(xiàn)在的科技技術(shù)日益發(fā)達，幾乎對所有的儀器設(shè)備都要求精度越來越高。然而對儀器設(shè)備的要求越來越高，也就是電子技術(shù)的發(fā)展越來越快，只有精確度高的電子設(shè)備才能制止出高精度的儀器。用純手工是不可能制作出高精度的儀器的，對于高精度的傳感器所需要的材料肯定是在傳輸信息的過程中信息損耗最小最好。

總之，光纖生物傳感器的特點有很多，許多的優(yōu)點科學家們還在不斷的進行中，希望能充分的利用好光纖維生物傳感器。

4動力學分析

光纖維生物傳感器，在光纖傳感器反應(yīng)相發(fā)生的反應(yīng)可以是生物親和反應(yīng)h或酶促反應(yīng)。接下來將專門對酶促反應(yīng)和生物親和反應(yīng)做討論。首先，在生物傳感器的反應(yīng)相發(fā)生的親和反應(yīng)（受體和配體的結(jié)合反應(yīng)）是可逆的，并且結(jié)合和解離可以達到平衡的狀態(tài)。其次，在達到反應(yīng)平衡的過程中，實際上還包括了一些其他相關(guān)的過程。譬如在很多的情況下，傳感器膜把反應(yīng)相與外部溶液隔離開來，被分析物透過膜的速度常常是整個響應(yīng)速度的關(guān)鍵因素。譬如葡萄糖透過30帥厚的中空纖維膜需要5mine，而葡萄糖與刀豆球蛋白A（ConA）結(jié)合的時間常數(shù)是毫秒級，所以最終的化學平衡包括了擴散動力學。最后，抗體與抗原之間通常具有高的親和常數(shù)和低的解離速度，若解離速度太慢（如用小時計時），則不適于平衡解說。根據(jù)反應(yīng)物是否需要標記物可以分為直接法和間接法。

直接動力學分析法，設(shè)被分析物為配體（A），光纖反應(yīng)相中含有受體（R），兩者結(jié)合產(chǎn)生復(fù)合物（A：R），其反應(yīng)數(shù)學公式可以表示如下：

5結(jié)語

生物傳感器（Biosensor），是一種對生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號進行檢測的儀器。主要的組成結(jié)構(gòu)是把固定化的生物敏感材料作為傳感器的識別元件，主要包括酶、抗體、抗原、微生物、細胞、組織、核酸等生物活性物質(zhì)、恰當?shù)倪壿嫇Q能器（譬如氧電極、光敏管、場效應(yīng)管、壓電晶體等等）及信號放大裝置構(gòu)成的分析工具或系統(tǒng)。

生物傳感器是一類特殊的傳感器，它與生物學、化學、物理學、信息科學及相關(guān)技術(shù)融為一體。是典型的交叉學科產(chǎn)物，在為推進高科技的發(fā)展有著非常重要的作用。目前已經(jīng)發(fā)展成為一門活躍的領(lǐng)域，并展現(xiàn)了生物傳感器的廣闊應(yīng)用前景。另外，光纖生物傳感器為開辟交叉學科聯(lián)合研究做出的重要的代表，鼓勵更多的學科進行聯(lián)合研究，高強度推進科技的發(fā)展做出貢獻。

生物圈中存在著許許多多的物質(zhì)，它們與遺傳或是代謝的基本元素、中間體，影響著生物學過程的各個方面。我們把它稱作生命物質(zhì)或與生命相關(guān)的物質(zhì)。

科學家們對這些物質(zhì)進行分析和發(fā)展，取決于人們的科學活動或探索實踐的能力。隨著人類對生命本質(zhì)、生命過程和生命體與其生存環(huán)境信息交流的認知不斷深入，研究發(fā)展新的技術(shù)手段越來越重要。光纖生物傳感器就是一個經(jīng)典的實例，光纖生物傳感器的研發(fā)成功離不開高新技術(shù)的發(fā)展，把光學知識與生物、化學等交叉學科知識充分融合，最終實現(xiàn)光纖生物傳感器的功能。

對于分析生物一個非常重要的鄰域來說，那就是生物傳感器的研究。生物傳感器他是一個典型的多學科交叉產(chǎn)物，它結(jié)合了生命科學、分析化學、物理學和信息科學及其相關(guān)技術(shù)，實現(xiàn)對所需要的物質(zhì)進行檢測并進行快速的分析和追蹤。生物傳感器的問世，是科學家的技術(shù)和科學發(fā)展及社會發(fā)展需求多方面雙驅(qū)動的結(jié)果。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)成為一個涉及內(nèi)容廣泛、多學科的介入和交叉，是一個充滿創(chuàng)新活力的領(lǐng)域。

光纖生物傳感器具有檢測精度高、抗干擾能力強、響應(yīng)快、成本低、有利于在線檢測等優(yōu)點，在臨床醫(yī)學、藥學、生物工程、食品工業(yè)、過程控制、環(huán)境監(jiān)測、軍事等許多領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用，近年來一直是國內(nèi)外的研究熱點。葡萄糖是臨床醫(yī)學和食品工業(yè)等領(lǐng)域的一個非常重要的檢測指標，人們已經(jīng)在葡萄糖檢測和光纖葡萄糖傳感器方面作了—系列研究，熒光猝滅型光纖葡萄糖傳感器引起了人們極大的關(guān)注。