光纖生物傳感器

免標(biāo)記光纖生物傳感器的功能是將光纖上的生物敏感膜和被測物質(zhì)直接接觸時發(fā)生的特異性吸附反應(yīng)轉(zhuǎn)換成光信號，檢測生物分子的特性。光纖生物傳感器由兩部分構(gòu)成：傳感段和傳輸段。在傳感段， 首先要對光纖傳感頭表面進行特殊化學(xué)處理，如利用偶聯(lián)法、自組裝或偶聯(lián)法結(jié)合卵白素-生物素橋連法等方式將生物靶分子固定于傳感頭表面。在發(fā)生生物化學(xué)反應(yīng)時，目標(biāo)分子會吸附于光纖傳感頭表面的生物膜層上， 使生物膜層厚度增加，改變傳感頭表面的等效折射率，從而影響傳輸光信號的特性，如：諧振波長、光功率等。通過檢測傳感器輸出光信號的變化就可以對被測生物分子的物理化學(xué)特性進行監(jiān)測； 另一部分是傳輸段，主要負(fù)責(zé)光信號的傳輸，一般會保留該段光纖的包層 。

光纖生物傳感器技術(shù)發(fā)展了近 30 年的時間，在國外，已經(jīng)被廣泛用于物質(zhì)測定，比如除草劑、尿蛋白中的刺激性藥物、與 VIII 因子相關(guān)的抗原、人體 IgG 和 IgM、牛血蛋白—包括牛血紅蛋白和牛血清蛋白、 人體細(xì)胞中的紅細(xì)胞和 T 淋巴細(xì)胞核粒細(xì)胞、血清 HIV 特異性抗體和血管內(nèi)皮生長因子等。在國內(nèi)，檢測諸如葡萄球菌腸毒素、胰島素、 甲胎蛋白和日本吸血蟲抗體等物質(zhì)也有采用光纖生物傳感器的方案。然而常用的光纖生物傳感器還是基于標(biāo)記方法， 免標(biāo)記光纖生物傳感器還處于實驗室研究階段 。

目前得到廣泛研究的免標(biāo)記光纖生物傳感器按照工作原理不同可以分為： 光纖表面等離子體共振生物傳感器、光纖倏逝波生物傳感器和光纖光柵生物傳感器等 。

1 光纖表面等離子體共振生物傳感器

光纖表面等離子體共振 (Surface plasmon resonance, SPR) 生物傳感器主要是基于光纖表面等離子體共振傳感原理， 通過探測光纖表面倏逝場區(qū)內(nèi)折射率的變化來分析被測生物分子的特性。當(dāng)倏逝場的區(qū)域內(nèi)生物分子發(fā)生識別反應(yīng)時， 金屬薄膜表面的折射率會隨之變化從而改變表面波的共振角度。 共振角度變化的幅值取決于倏逝場區(qū)的平均有效折射率， 通過檢測這一變量就能夠確定分析物在該區(qū)域的結(jié)合數(shù)量。由于該傳感器具有生物樣品無需標(biāo)記且可實時監(jiān)測反應(yīng)動態(tài)過程的特點， 特別適于生物分子的檢測以及分子之間相互作用的研究 。

2009 年，比利時 Jeroen Pollet 等用環(huán)氧樹脂將長為 3 cm，直徑 400 m，數(shù)值孔徑 0.39 的多模光纖粘于注射器針頭處，在光纖端部 1 cm 區(qū)域涂覆 50 nm 的金膜實現(xiàn)光纖表面等離子共振。光纖端面可以看作金屬反射鏡，將光波反射回光譜儀。傳感器系統(tǒng)由光源、光譜儀、光纖耦合器和傳感頭構(gòu)成 。

生物傳感頭的制作方法如下： 首先利用一夜孵化的方式將單層自組裝羥基/羧基巰基混合聚乙二醇固定于金傳感頭表面，然后吸附鏈鎖狀球菌，利用 NaCl 和 NaOH 混合溶液沖洗傳感頭，將未固定的多余鏈球菌清洗干凈就制成了生物傳感頭。 利用這一傳感頭對生物素單層 DNA 進行了探測，觀測到了 5.0±1.0 nm 的波長漂移。研究結(jié)果表明，該傳感器能夠檢測到的 DNA溶液的濃度范圍是 0.5~5 M，對免疫球蛋白 IgE的檢測精度能達到 2 nM。同時，利用這一傳感器還可以實時監(jiān)測 DNA 分子的雜交與分解運動，實驗中檢測到了 DNA 分子的分離常數(shù)為 30.9±2.9nM 。

2011 年，該課題組又制作了順磁性材質(zhì)修飾的納米光纖 SPR 生物傳感器，實現(xiàn)堅果過敏源的精確快速檢測。 利用順磁性材料修飾的光纖 SPR傳感器對 Ara h1 探測的靈敏度為 0.09 g/mL，比普通的光纖 SPR 傳感器的靈敏度 9 g/mL 高了兩個數(shù)量級。該傳感器能夠在 1.0~2 g/mL 的范圍內(nèi)線性動態(tài)測量，并且能夠重復(fù)使用 35 次而不降低傳感靈敏度 。

2012 年，加納的 Akowuah E K 等理論研究了光子晶體光纖 SPR 生物傳感器，利用 HE11和HE11模對生物膜檢測。HE11和 HE11模振幅檢測靈敏度能夠達到 4×10 5 RIU 1和 8×10 5 RIU 1，而波長檢測靈敏度達到 5×10 5 RIU 1和 6×10 5 RIU 1。2013 年，重慶理工大學(xué)的劉盛平等研制了一種用于心肌肌鈣蛋白 I (cTn I) 檢測的局域 SPR光纖傳感器。 在光纖局部腐蝕掉包層后利用納米銀膜形成 SPR，用葡萄球菌 A 蛋白作為鼠抗人 cTn I的連接體，實現(xiàn)對 cTn I 濃度的檢測。結(jié)果表明，當(dāng) cTn I 濃度在 20~120 ng/mL 范圍內(nèi)時，消光峰位移的對數(shù)與濃度呈線性關(guān)系， 線性系數(shù)為 0.9962，利用夾心法能實現(xiàn) 10 ng/mL 的檢測靈敏度 。

2 光纖倏逝波生物傳感器

光纖倏逝波傳感器是基于倏逝波原理工作的，光纖中的倏逝波是光在纖芯與包層間進行全內(nèi)反射式傳輸時產(chǎn)生的。當(dāng)光以一定角度入射時，在纖芯與包層的分界面上就會產(chǎn)生全反射， 部分光會垂直于分界面透射至包層中， 但透射波的幅值隨著透射深度的增加而呈指數(shù)衰減， 所以只能存在一段很小的距離，一般在波長量級，這種波就稱之為倏逝波。作為生物傳感器使用時，要將傳感段的光纖包層去除，當(dāng)分析物與識別分子發(fā)生生化反應(yīng)時，會被吸附于纖芯表面，從而影響倏逝波的透射深度，這時傳輸光能量就會發(fā)生變化，通過檢測傳輸光的特性就能得到被測生物分子的特征。按照光纖倏逝波生物傳感器的結(jié)構(gòu)， 可以將其分為 3 種：第 1 種是直型 (是光纖纖芯直徑)，直接剝?nèi)ス饫w的包層，在光纖纖芯固定識別分子， 實現(xiàn)對被測分子的檢測。這種結(jié)構(gòu)中傳輸段和傳感段之間由于結(jié)構(gòu)的突然變化會出現(xiàn)模式的不匹配，增加傳輸損耗，從而影響到測量的靈敏度。2010 年，印度 Sai V V R 等人利用 280 nm 的紫外光 LED 作為光源對生物分子進行檢測。將 200 m 直徑的光纖 15~30 cm，中間 5 cm 利用機械方法剝?nèi)グ鼘樱儆?0.3 m 的拋光紙拋磨端面。 傳感部分表面用鉻酸溶液浸泡產(chǎn)生羥基組團，再用去離子水沖洗后置于 115 ℃烤箱中烘干 2 h，浸入 1%的酒精硅烷溶液將傳感區(qū)進行硅烷化。 經(jīng)過化學(xué)處理的傳感頭在 0.1 mg/mL 的人IgG 抗體溶液中孵化 16 h，再用磷酸鹽緩釋液(phosphate buffered saline, PBS) 沖洗干凈就制成了生物傳感頭。 實驗室中利用該傳感器對 50 g/mL的羊抗人 IgG 進行探測， 吸光率能夠達到的最大值為 0.036。第 2 種是錐型， 這種結(jié)構(gòu)可以避免光纖探針結(jié)構(gòu)的突變，纖芯以錐形區(qū)過渡至傳輸段。這種結(jié)構(gòu)增加了傳感區(qū)的面積和倏逝波的透射深度，提高了靈敏度，是目前最常用的一類倏逝波傳感器。 2010 年， 伊朗 Mohammad IsmailZibaii 等人通過將單模光纖拉錐的方法測量溶液中大腸桿菌的增長速度。 錐形光纖是用熱拉的方式實現(xiàn)的，光纖的錐腰直徑是 6~7 m，錐形區(qū)長度為 3 mm。在光纖的錐區(qū)通過涂覆多聚賴氨酸(Poly-L-Lysine, PLL) 來吸附細(xì)菌。在適當(dāng)?shù)臈l件下當(dāng)細(xì)菌逐漸增長時， 錐區(qū)吸附膜層的折射率也在增加，從而影響了倏逝波的穿透率，測量靈敏度達到了 60 E. coli mm 2。第 3 種是 U 型。為了進一步提高探測的靈敏度， 人們通過使傳感部分的纖芯發(fā)生彎曲的方法來提高倏逝波的透射深度。研究表明， 這種結(jié)構(gòu)比起直型傳感器的靈敏度有很大的提高，且隨著彎曲半徑的減小靈敏度迅速增加。但這種結(jié)構(gòu)體積比起前面幾種要大很多，而且制作相對困難，由于彎曲后內(nèi)外兩面受力不均，光纖也容易折斷 。

光纖生物傳感器結(jié)構(gòu)主要有光源、光纖、生物敏感元件及信號檢測系統(tǒng)等,其中的生物敏感元件是傳感器的關(guān)鍵部件,常用的生物敏感元件主要有抗原抗體、酶及核酸等。被測物與特定的生物敏感元件選擇性相作用(即抗原抗體或受體配體特異性結(jié)合;核酸分子堿基互補配對;酶對底物作用專一性等),產(chǎn)生的生物化學(xué)信息調(diào)制光纖中傳輸光的物理特性如光強、光振幅、相位等。因此這種傳感器有較強的選擇性和很高的靈敏度,而且在分析過程中可省去對測試物分離提純等繁瑣工作,但上述形成的復(fù)合物或產(chǎn)生物產(chǎn)生的光譜行為相似,單靠光纖本身無法區(qū)分,常需使用指示劑或標(biāo)記物,如:酶、熒光物質(zhì)、酸堿指示劑和斕系鰲合物等:同其它生物傳感器相比,光纖生物傳感器結(jié)合了光纖傳感的特點,具體體現(xiàn)在:(l)由于光纖本身良好的絕緣屏蔽作用,其抗干擾能力強,不受周圍電磁場的擾動。(2)不需要參考電極,探頭可小型化,操作方便。(3)可實現(xiàn)遙測,并能進行實時、在線和動態(tài)檢測。(4)響應(yīng)速度快,靈敏度高 。

生物傳感器按是否使用標(biāo)記物分為兩類：一類是標(biāo)記型生物傳感器，檢測時先用熒光素、放射性同位素或酶等標(biāo)記物對被測生物進行標(biāo)記，然后通過檢測標(biāo)記物的信號來獲取被探測物的信息。目前使用的免疫傳感器大多數(shù)屬于這一類，然而利用放射性標(biāo)記物檢測，對于工作人員具有一定的危害，用熒光檢測時非特異性熒光也會影響測量結(jié)果。標(biāo)記型生物傳感器所用的測試儀器體積大、價格昂貴、耗時，需要專業(yè)人員完成，并且指示劑價格昂貴，要集合幾十個樣本同時測量，讓患者在等待中承受巨大的痛苦。另一類是免標(biāo)記型生物傳感器，不需要對探測物進行標(biāo)記，而是直接通過生物復(fù)合物形成時的物理、化學(xué)變化對生物對象進行檢測，極大地簡化了操作過程，因此免標(biāo)記生物傳感器成為了生物傳感器的一個重要研究方向 。

免標(biāo)記生物傳感器按照工作原理不同分為：表面等離子體諧振腔生物傳感器、光學(xué)諧振腔生物傳感器、光子晶體生物傳感器和光纖生物傳感器等。免標(biāo)記光纖生物傳感器是免標(biāo)記生物傳感器家族中的重要一員，是光纖技術(shù)與生物技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。由于光纖傳感器具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、不易受電磁干擾等其它器件所不具備的優(yōu)點，而免標(biāo)記的生物檢測方法又可以將生物化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y信號，不需要加入標(biāo)記物，測試過程簡單直接，因此免標(biāo)記光纖傳感器已經(jīng)成為生物傳感器研究的重要方向 。

根據(jù)敏感元件不同,光纖生物傳感器可大致分為免疫傳感器、酶生物傳感器和核酸傳感器等,現(xiàn)分別作詳細(xì)介紹 。

1光纖免疫傳感器

這是目前研究與應(yīng)用較多的光纖生物傳感器。光纖探頭多位于軸向近端面,須去除保護層和包層,裸露纖芯,再對纖芯進行硅烷化處理,然后抗體藉助雙功能交叉聯(lián)結(jié)劑共價連接在硅烷化纖芯表面C抗體的固定方式是影響傳感器檢測靈敏度的重要因素 。

2光纖酶生物傳感器

光纖酶生物傳感器用酶作分子識別器,與光纖結(jié)合起來,對測試物進行分析,常用的酶有氧化還原酶(如乳酸脫氫酶、葡萄糖氧化酶等)和水解酶(如堿性磷酸酶、乙酞膽堿酶等)。根據(jù)換能器的能量轉(zhuǎn)換方式可分為化學(xué)發(fā)光型、熒光型、生物發(fā)光型、光吸收型、指示劑型等 。

按照其感受器中所采用的生命物質(zhì)分類，可分為：微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器、細(xì)胞傳感器、酶傳感器、DNA傳感器等。按照傳感器器件檢測的原理分類 ，可分為：熱敏生物傳感器、場效應(yīng)管生物傳感器、壓電生物傳感器、光學(xué)生物傳感器、聲波道生物傳感器、酶電極生物傳感器、介體生物傳感器等。按照生物敏感物質(zhì)相互作用的類型分類，可分為親和型和代謝型兩種。 解讀詞條背后的知識 查看全部

• • 科技報告與資訊 科技日新月異，發(fā)現(xiàn)永無止境！

    基于finFET的微型生物傳感器，可用于高靈敏度分子檢測

    歐洲微電子研究中心imec推出了作為生物傳感器的最小硅finFET，翅片寬度13nm，柵極長度50nm，在imec的300mm無塵室采用CMOS兼容工藝流程制造，一旦實現(xiàn)批量生產(chǎn)，并將其集成到高通量、高成本效益的檢測工具中，可實現(xiàn)數(shù)以萬計的BioFET并行工作。imec目前...

    2021-01-190
  • 3xmaker合越智能 南京合越智能科技有限公司

    自供電的生物傳感器可能會開辟新的途徑來進行醫(yī)療跟蹤，治療

    自供電的生物傳感器可能會開辟新的途徑來進行醫(yī)療跟蹤，治療當(dāng)前，可穿戴和可植入設(shè)備用于多種功能，包括健康跟蹤和監(jiān)視。但是，由于充電，提供能量通常需要笨重的電池和停機時間。由賓夕法尼亞州立大學(xué)工程師領(lǐng)導(dǎo)的國際研究人員小組正在探索可拉伸的自供電生物傳感器的開發(fā)，這種傳感器有一天可...

    2020-09-220
  • 快科技 快科技官方百家號,優(yōu)質(zhì)數(shù)碼領(lǐng)域創(chuàng)作者

    AirPods地位升高：蘋果準(zhǔn)備更新 未來將配生物傳感器

    著名蘋果分析師郭明錤再次送出了新的報告，其著重指出AirPods這款產(chǎn)品，其將是蘋果有史以來最暢銷的產(chǎn)品。在這份報告中，郭明錤強調(diào)，AirPods在蘋果生態(tài)中的地位會越來越高，其是通訊、音樂、語音助理、健康管理的綜合載體，并且便捷的操作性，讓iOS用戶都很樂意去接受它。此外...

    2018-12-050
  • cnBeta cnBeta.COM 官方百家號

    新專利顯示蘋果公司未來AirPods可能集成生物傳感器

    根據(jù)美國專利局公布的一項新專利顯示，蘋果公司繼續(xù)研究，力圖在未來AirPods當(dāng)中集成生物傳感器。這項新專利揭示了入耳式傳感器如何幫助檢測佩戴者血液中的變化。蘋果以前擁有多項專利，可以用來檢測AirPods佩戴方向，來告知用戶佩戴姿勢，并且進行鍛煉跟蹤?，F(xiàn)在，檢測AirPo...

    2019-10-030
• • IT之家 青島軟媒網(wǎng)絡(luò)科技有限公司,優(yōu)質(zhì)數(shù)碼領(lǐng)域創(chuàng)作者

    不只是耳機？專利顯示新款蘋果AirPods將集成生物傳感器

    IT之家10月4日消息 近日一份蘋果向美國專利局提交的專利遭曝光，局專利文件顯示蘋果似乎有意在未來的AirPods中集成生物傳感器。...

    2019-10-040