基于光纤维生物传感器的研究

刘江明

摘要：光与生物有着密切的联系，光是_种电磁波，光的传播速度是300000000米每秒。光与生物学之间的关系可以概括为：生物发光反应；光在生物物质中的能量传递，譬如生物物质的光吸收、光猝灭和受光激发等。生物反应物质对光的传播影响。随着高科技的发展，已经研制出光纤维生物传感器，光纤维生物传感器主要有光学器件检测光的灵敏度非常高，当然那用光纤维制成的生物传感器灵敏度也非常的高。另外，光信号的传播不受外界电磁波的干扰，传感器的噪声低。光纤生物传感器指用光导纤维及其检测器与生物分子识别器组装构成生物传感器。

关键词：生物反应；生物传感器；光纤维生物传感器；生物分子

1引言

生物传感器是一类特殊的传感器，它与生物学、化学、物理学、信息科学及相关技术融为一体。生物传感器是一类可将生物信息转换为可分析信号的器件，其通常包括两个基本功能单元，即是接受器和换能器。目前已经发展成为一门活跃的领域，并展现了生物传感器的广阔应用前景。

生物圈中存在着许许多多的物质，它们与遗传或是代谢的基本元素、中间体，影响着生物学过程的各个方面，我们把它称作生命物质或与生命相关的物质。人们对这些物质进行分析的发展，取决于人们的科学活动或探索实践。随着人类对生命的本质、生命过程和生命体与其生存环境信息交流的认知不断深入，研究发展新的技术手段显得越来越重要。

分析生物是一个非常重要的邻域，那就是生物传感器的研究。生物传感器他是一个典型的多学科交叉产物，它结合了生命科学、分析化学、物理学和信息科学及其相关技术，实现对所需要的物质进行检测并进行快速的分析和追踪。生物传感器的问世，是科学家的技术和科学发展及社会发展需求多方面双驱动的结果。经过几十年的发展，已经成为一个涉及内容广泛、多学科的介入和交叉，是一个充满创新活力的领域。

2传感器的结构

主要由两部分组成，生物敏感膜和换能器。当被分析的物质进入固定化的生物敏感膜，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息被相应的化学换能器或物理换能器转变成可定量和可处理的电信号，如图1所示。

生物敏感膜又称为生物识别元件，是生物传感器的关键部分，直接与生物传感器的功能质量有关。根据生物敏感膜的材料不同，其组成可以是酶、核酸、免疫物质、全细胞、组织、细胞器或他们不同的组合，近年来科学家还研究出了，高分子聚合物模拟酶，使得分子识别元件的概念进一步拓展。

换能器的作用是把各种生物的、化学的和物理的信息转化为电信号。生物学产生的信息是多样化的，微电子学和传感技术的现代的成果为检测这些信息提供了丰富的手段，使得研究者在设计生物传感器的时候，对换能器的选择有足够的余地。设计的生物传感器成功与否取决于设计方案的科学性和经济性。

光导纤维简称光纤，由超纯玻璃和其它材料制成。纤维表层的折射率比中心折射率低，光在纤维中传播以全反射形式向前传播，最终把光传到很远的地方。光纤的导光范围与制成光纤的材料有关，熔硅纤维可以测量紫外光，波长范围最低是220nm，熔硅的材料较贵。用玻璃制成的纤维可以测量可见光，与熔硅相比测量的波长范围就小，成本次之。塑料纤维最便宜，但是测量的波长范围必须是450nm以上，否则测不了。制成的光纤直径，一般在50至200微米左右。

光纤传感器可以分为单芯和双芯两种，在光纤端部的敏感部位称为反应相。如果反应相中是生活性物质在起作用，则称为生物光纤或生物光极。在双芯光纤中，光从一束纤维传到反应相，再从另一束光纤传出。反应试剂或指示剂被固定在球形载体上，用管状膜将敏感物质及载体套在光纤端部，分析底物透过敏感物质作用。在管状膜的端点有一个“黑塞”，它能阻止入射光作用于外部溶液中，避免潜在的干扰。

3传感器的特点

光纤维生物传感器有着许多的特点，具体如：无须参比电极；由于信号是光，不受到外界的电子干扰，这种特性在有电磁场的干扰情况下显得特别的重要，光纤维生物传感器可以保持原信号继续传播；不需要把生物分子识别器“真正的”固化在纤维上，从而反应相容易更换；当用于体液测定时，光纤比其他电子元件较为安全；某些分析底物在光学平衡基础上被敏感，而不是在电化学平衡基础上被敏感，当达到平衡时，不需要持续的向传感器表面传输底物，对温度波动和液流条件都不如电流型电化学传感器敏感。当进行双波传播时，光纤生物传感器的稳定性很高；光纤生物传感器可以实现多功能传感器，譬如当同时测定许多种底物时，可以用对应的多种酶和不同的波长便能实现同时测定多种底物。光纤可以结合现代技术可以制成微米级别，为微型生物传感器提供了制作材料；光纤制成的生物传感器可以任意弯曲，可以保持以最小的损失实现长距离的传输，这样方便实现工业化操作和较容易控制。与光效应偶联的反应有很多种，具有普遍的现实运用意义。

光纤生物传感器的优点有很多，该传感器不仅有光学的知识，传播速度快稳定，而且还有生物的性质。光纤生物传感器是把光学知识和生物知识有效的结合起来，这是一个典型的交叉学科融合为一体，为推进高科技技术的发展取到催化剂的作用。

在发展新技术的今天，光纤越来越离不开人们的生活，光纤不仅可以传输大量的信息，而且还是利用光进行传输。我们都知道光的速度是很快的，当然人们利用光纤传输信息的速度也就是很快的。传感器与光纤技术很好的配合使用，可以为光纤生物传感器带来意想不到的效果。

光纤维生物传感器，是具有高度灵敏性的一种生物传感器。现在的科技技术日益发达，几乎对所有的仪器设备都要求精度越来越高。然而对仪器设备的要求越来越高，也就是电子技术的发展越来越快，只有精确度高的电子设备才能制止出高精度的仪器。用纯手工是不可能制作出高精度的仪器的，对于高精度的传感器所需要的材料肯定是在传输信息的过程中信息损耗最小最好。

总之，光纤生物传感器的特点有很多，许多的优点科学家们还在不断的进行中，希望能充分的利用好光纤维生物传感器。

4动力学分析

光纤维生物传感器，在光纤传感器反应相发生的反应可以是生物亲和反应h或酶促反应。接下来将专门对酶促反应和生物亲和反应做讨论。首先，在生物传感器的反应相发生的亲和反应（受体和配体的结合反应）是可逆的，并且结合和解离可以达到平衡的状态。其次，在达到反应平衡的过程中，实际上还包括了一些其他相关的过程。譬如在很多的情况下，传感器膜把反应相与外部溶液隔离开来，被分析物透过膜的速度常常是整个响应速度的关键因素。譬如葡萄糖透过30帅厚的中空纤维膜需要5mine，而葡萄糖与刀豆球蛋白A（ConA）结合的时间常数是毫秒级，所以最终的化学平衡包括了扩散动力学。最后，抗体与抗原之间通常具有高的亲和常数和低的解离速度，若解离速度太慢（如用小时计时），则不适于平衡解说。根据反应物是否需要标记物可以分为直接法和间接法。

直接动力学分析法，设被分析物为配体（A），光纤反应相中含有受体（R），两者结合产生复合物（A：R），其反应数学公式可以表示如下：

5结语

生物传感器（Biosensor），是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。主要的组成结构是把固定化的生物敏感材料作为传感器的识别元件，主要包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质、恰当的逻辑换能器（譬如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等）及信号放大装置构成的分析工具或系统。

生物传感器是一类特殊的传感器，它与生物学、化学、物理学、信息科学及相关技术融为一体。是典型的交叉学科产物，在为推进高科技的发展有着非常重要的作用。目前已经发展成为一门活跃的领域，并展现了生物传感器的广阔应用前景。另外，光纤生物传感器为开辟交叉学科联合研究做出的重要的代表，鼓励更多的学科进行联合研究，高强度推进科技的发展做出贡献。

生物圈中存在着许许多多的物质，它们与遗传或是代谢的基本元素、中间体，影响着生物学过程的各个方面。我们把它称作生命物质或与生命相关的物质。

科学家们对这些物质进行分析和发展，取决于人们的科学活动或探索实践的能力。随着人类对生命本质、生命过程和生命体与其生存环境信息交流的认知不断深入，研究发展新的技术手段越来越重要。光纤生物传感器就是一个经典的实例，光纤生物传感器的研发成功离不开高新技术的发展，把光学知识与生物、化学等交叉学科知识充分融合，最终实现光纤生物传感器的功能。

对于分析生物一个非常重要的邻域来说，那就是生物传感器的研究。生物传感器他是一个典型的多学科交叉产物，它结合了生命科学、分析化学、物理学和信息科学及其相关技术，实现对所需要的物质进行检测并进行快速的分析和追踪。生物传感器的问世，是科学家的技术和科学发展及社会发展需求多方面双驱动的结果。经过几十年的发展，已经成为一个涉及内容广泛、多学科的介入和交叉，是一个充满创新活力的领域。

光纤生物传感器具有检测精度高、抗干扰能力强、响应快、成本低、有利于在线检测等优点，在临床医学、药学、生物工程、食品工业、过程控制、环境监测、军事等许多领域具有重要的应用，近年来一直是国内外的研究热点。葡萄糖是临床医学和食品工业等领域的一个非常重要的检测指标，人们已经在葡萄糖检测和光纤葡萄糖传感器方面作了—系列研究，荧光猝灭型光纤葡萄糖传感器引起了人们极大的关注。