光纖生物傳感器光纖生物傳感器原理及特點(diǎn)

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(hào)檢測(cè)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(cè)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(bǔ)配對(duì);酶對(duì)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(qiáng)、光振幅、相位等。因此這種傳感器有較強(qiáng)的選擇性和很高的靈敏度,而且在分析過(guò)程中可省去對(duì)測(cè)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(wú)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(diǎn),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(qiáng),不受周圍電磁場(chǎng)的擾動(dòng)。(2)不需要參考電極,探頭可小型化,操作方便。(3)可實(shí)現(xiàn)遙測(cè),并能進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線和動(dòng)態(tài)檢測(cè)。(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(cè)時(shí)先用熒光素、放射性同位素或酶等標(biāo)記物對(duì)被測(cè)生物進(jìn)行標(biāo)記，然后通過(guò)檢測(cè)標(biāo)記物的信號(hào)來(lái)獲取被探測(cè)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(cè)，對(duì)于工作人員具有一定的危害，用熒光檢測(cè)時(shí)非特異性熒光也會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。標(biāo)記型生物傳感器所用的測(cè)試儀器體積大、價(jià)格昂貴、耗時(shí)，需要專業(yè)人員完成，并且指示劑價(jià)格昂貴，要集合幾十個(gè)樣本同時(shí)測(cè)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(duì)探測(cè)物進(jìn)行標(biāo)記，而是直接通過(guò)生物復(fù)合物形成時(shí)的物理、化學(xué)變化對(duì)生物對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)，極大地簡(jiǎn)化了操作過(guò)程，因此免標(biāo)記生物傳感器成為了生物傳感器的一個(gè)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(jiǎn)單、不易受電磁干擾等其它器件所不具備的優(yōu)點(diǎn)，而免標(biāo)記的生物檢測(cè)方法又可以將生物化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)信號(hào)，不需要加入標(biāo)記物，測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)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 。

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(cè)物質(zhì)直接接觸時(shí)發(fā)生的特異性吸附反應(yīng)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，檢測(cè)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(duì)光纖傳感頭表面進(jìn)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(shí)，目標(biāo)分子會(huì)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(hào)的特性，如：諧振波長(zhǎng)、光功率等。通過(guò)檢測(cè)傳感器輸出光信號(hào)的變化就可以對(duì)被測(cè)生物分子的物理化學(xué)特性進(jìn)行監(jiān)測(cè)； 另一部分是傳輸段，主要負(fù)責(zé)光信號(hào)的傳輸，一般會(huì)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(shí)間，在國(guó)外，已經(jīng)被廣泛用于物質(zhì)測(cè)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(zhǎng)因子等。在國(guó)內(nèi)，檢測(cè)諸如葡萄球菌腸毒素、胰島素、 甲胎蛋白和日本吸血蟲(chóng)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(shí)驗(yàn)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(guò)探測(cè)光纖表面倏逝場(chǎng)區(qū)內(nèi)折射率的變化來(lái)分析被測(cè)生物分子的特性。當(dāng)倏逝場(chǎng)的區(qū)域內(nèi)生物分子發(fā)生識(shí)別反應(yīng)時(shí)， 金屬薄膜表面的折射率會(huì)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(chǎng)區(qū)的平均有效折射率， 通過(guò)檢測(cè)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(wú)需標(biāo)記且可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的特點(diǎn)， 特別適于生物分子的檢測(cè)以及分子之間相互作用的研究 。

2009 年，比利時(shí) Jeroen Pollet 等用環(huán)氧樹(shù)脂將長(zhǎng)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(shí)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(duì)生物素單層 DNA 進(jìn)行了探測(cè)，觀測(cè)到了 5.0±1.0 nm 的波長(zhǎng)漂移。研究結(jié)果表明，該傳感器能夠檢測(cè)到的 DNA溶液的濃度范圍是 0.5~5 M，對(duì)免疫球蛋白 IgE的檢測(cè)精度能達(dá)到 2 nM。同時(shí)，利用這一傳感器還可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) DNA 分子的雜交與分解運(yùn)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)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(shí)現(xiàn)堅(jiān)果過(guò)敏源的精確快速檢測(cè)。 利用順磁性材料修飾的光纖 SPR傳感器對(duì) Ara h1 探測(cè)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(gè)數(shù)量級(jí)。該傳感器能夠在 1.0~2 g/mL 的范圍內(nèi)線性動(dòng)態(tài)測(cè)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(duì)生物膜檢測(cè)。HE11和 HE11模振幅檢測(cè)靈敏度能夠達(dá)到 4×10 5 RIU 1和 8×10 5 RIU 1，而波長(zhǎng)檢測(cè)靈敏度達(dá)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(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì) cTn I 濃度的檢測(cè)。結(jié)果表明，當(dāng) cTn I 濃度在 20~120 ng/mL 范圍內(nèi)時(shí)，消光峰位移的對(duì)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(shí)現(xiàn) 10 ng/mL 的檢測(cè)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(jìn)行全內(nèi)反射式傳輸時(shí)產(chǎn)生的。當(dāng)光以一定角度入射時(shí)，在纖芯與包層的分界面上就會(huì)產(chǎn)生全反射， 部分光會(huì)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(zhǎng)量級(jí)，這種波就稱之為倏逝波。作為生物傳感器使用時(shí)，要將傳感段的光纖包層去除，當(dāng)分析物與識(shí)別分子發(fā)生生化反應(yīng)時(shí)，會(huì)被吸附于纖芯表面，從而影響倏逝波的透射深度，這時(shí)傳輸光能量就會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)傳輸光的特性就能得到被測(cè)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(shí)別分子， 實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)分子的檢測(cè)。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(huì)出現(xiàn)模式的不匹配，增加傳輸損耗，從而影響到測(cè)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(duì)生物分子進(jìn)行檢測(cè)。將 200 m 直徑的光纖 15~30 cm，中間 5 cm 利用機(jī)械方法剝?nèi)グ鼘?，再?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(tuán)，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(jìn)行硅烷化。 經(jīng)過(guò)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(shí)驗(yàn)室中利用該傳感器對(duì) 50 g/mL的羊抗人 IgG 進(jìn)行探測(cè)， 吸光率能夠達(dá)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(guò)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(guò)將單模光纖拉錐的方法測(cè)量溶液中大腸桿菌的增長(zhǎng)速度。 錐形光纖是用熱拉的方式實(shí)現(xiàn)的，光纖的錐腰直徑是 6~7 m，錐形區(qū)長(zhǎng)度為 3 mm。在光纖的錐區(qū)通過(guò)涂覆多聚賴氨酸(Poly-L-Lysine, PLL) 來(lái)吸附細(xì)菌。在適當(dāng)?shù)臈l件下當(dāng)細(xì)菌逐漸增長(zhǎng)時(shí)， 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(cè)量靈敏度達(dá)到了 60 E. coli mm 2。第 3 種是 U 型。為了進(jìn)一步提高探測(cè)的靈敏度， 人們通過(guò)使傳感部分的纖芯發(fā)生彎曲的方法來(lái)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(duì)困難，由于彎曲后內(nèi)外兩面受力不均，光纖也容易折斷 。

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(hù)層和包層,裸露纖芯,再對(duì)纖芯進(jìn)行硅烷化處理,然后抗體藉助雙功能交叉聯(lián)結(jié)劑共價(jià)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(cè)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(shí)別器,與光纖結(jié)合起來(lái),對(duì)測(cè)試物進(jìn)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?jìng)鞲衅鳌NA傳感器等。按照傳感器器件檢測(cè)的原理分類 ，可分為：熱敏生物傳感器、場(chǎng)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(shí) 查看全部

• • 科技報(bào)告與資訊 科技日新月異，發(fā)現(xiàn)永無(wú)止境！

    基于finFET的微型生物傳感器，可用于高靈敏度分子檢測(cè)

    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(zhǎng)度50nm，在imec的300mm無(wú)塵室采用CMOS兼容工藝流程制造，一旦實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，并將其集成到高通量、高成本效益的檢測(cè)工具中，可實(shí)現(xiàn)數(shù)以萬(wàn)計(jì)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(huì)開(kāi)辟新的途徑來(lái)進(jìn)行醫(yī)療跟蹤，治療

    自供電的生物傳感器可能會(huì)開(kāi)辟新的途徑來(lái)進(jìn)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(jī)時(shí)間。由賓夕法尼亞州立大學(xué)工程師領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)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(kāi)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(hào),優(yōu)質(zhì)數(shù)碼領(lǐng)域創(chuàng)作者

    AirPods地位升高：蘋(píng)果準(zhǔn)備更新 未來(lái)將配生物傳感器

    著名蘋(píng)果分析師郭明錤再次送出了新的報(bào)告，其著重指出AirPods這款產(chǎn)品，其將是蘋(píng)果有史以來(lái)最暢銷的產(chǎn)品。在這份報(bào)告中，郭明錤強(qiáng)調(diào)，AirPods在蘋(píng)果生態(tài)中的地位會(huì)越來(lái)越高，其是通訊、音樂(lè)、語(yǔ)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(lè)意去接受它。此外...

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

    新專利顯示蘋(píng)果公司未來(lái)AirPods可能集成生物傳感器

    根據(jù)美國(guó)專利局公布的一項(xiàng)新專利顯示，蘋(píng)果公司繼續(xù)研究，力圖在未來(lái)AirPods當(dāng)中集成生物傳感器。這項(xiàng)新專利揭示了入耳式傳感器如何幫助檢測(cè)佩戴者血液中的變化。蘋(píng)果以前擁有多項(xiàng)專利，可以用來(lái)檢測(cè)AirPods佩戴方向，來(lái)告知用戶佩戴姿勢(shì)，并且進(jìn)行鍛煉跟蹤?，F(xiàn)在，檢測(cè)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(jī)？專利顯示新款蘋(píng)果AirPods將集成生物傳感器

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

    2019-10-040