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光纤生物传感器
阅读:216时间:2018-08-18 09:27:43

    光纤生物传感器与传统电化学生物传感器相比,具有不受电磁干扰、耐酸碱腐蚀、不需要参比传感器以及探头结构可微型化等优点,因此受到青睐。根据传感器的信号转换方式,目前研究较多的光纤生物传感器为光纤倏逝波传感器、表面等离子体共振传感器(SPR)、荧光猝灭传感器和光纤光栅传感器,但都存在着制作复杂、成本高的问题。除光栅型光纤传感器以外,其他几种均为光强探测型传感器,容易受到光源、光纤连接损耗等方面的影响。
    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。生物传感器不仅涉及到了现代生物技术、微电子学,还涉及到了光学、化学等多个研究领域,并且在医学和食品检验等多个领域中都有极为广泛的应用,尤其是在医学研究及临床诊断中具有极大的优势,因此近年来成为了科学家们研究的热点。

原理及特点

   光纤生物传感器结构主要有光源、光纤、生物敏感元件及信号检测系统等,其中的生物敏感元件是传感器的关键部件,常用的生物敏感元件主要有抗原抗体、酶及核酸等。被测物与特定的生物敏感元件选择性相作用(即抗原抗体或受体配体特异性结合;核酸分子碱基互补配对;酶对底物作用专一性等),产生的生物化学信息调制光纤中传输光的物理特性如光强、光振幅、相位等。因此这种传感器有较强的选择性和很高的灵敏度,而且在分析过程中可省去对测试物分离提纯等繁琐工作,但上述形成的复合物或产生物产生的光谱行为相似,单靠光纤本身无法区分,常需使用指示剂或标记物,如:酶、荧光物质、酸碱指示剂和斓系鳌合物等:同其它生物传感器相比,光纤生物传感器结合了光纤传感的特点,具体体现在:(l)由于光纤本身良好的绝缘屏蔽作用,其抗干扰能力强,不受周围电磁场的扰动。(2)不需要参考电极,探头可小型化,操作方便。(3)可实现遥测,并能进行实时、在线和动态检测。响应速度快,灵敏度高。

种类

   根据敏感元件不同,光纤生物传感器可大致分为免疫传感器、酶生物传感器和核酸传感器等,现分别作详细介绍。
   1光纤免疫传感器
   这是目前研究与应用较多的光纤生物传感器。光纤探头多位于轴向近端面,须去除保护层和包层,裸露纤芯,再对纤芯进行硅烷化处理,然后抗体藉助双功能交叉联结剂共价连接在硅烷化纤芯表面C抗体的固定方式是影响传感器检测灵敏度的重要因素。
   2光纤酶生物传感器
   光纤酶生物传感器用酶作分子识别器,与光纤结合起来,对测试物进行分析,常用的酶有氧化还原酶(如乳酸脱氢酶、葡萄糖氧化酶等)和水解酶(如碱性磷酸酶、乙酞胆碱酶等)。根据换能器的能量转换方式可分为化学发光型、荧光型、生物发光型、光吸收型、指示剂型等。

研究现状

   光纤生物传感器技术发展了近 30 年的时间,在国外,已经被广泛用于物质测定,比如除草剂、尿蛋白中的刺激性药物、与 VIII 因子相关的抗原、人体 IgG 和 IgM、牛血蛋白—包括牛血红蛋白和牛血清蛋白、 人体细胞中的红细胞和 T 淋巴细胞核粒细胞、血清 HIV 特异性抗体和血管内皮生长因子等。在国内,检测诸如葡萄球菌肠毒素、胰岛素、 甲胎蛋白和日本吸血虫抗体等物质也有采用光纤生物传感器的方案。然而常用的光纤生物传感器还是基于标记方法, 免标记光纤生物传感器还处于实验室研究阶段     。
   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。
   1 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 (Surface plasmon resonance, 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。 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     。
   2009 年,比利时 Jeroen Pollet 等用环氧树脂将长为 3 cm,直径 400 m,数值孔径 0.39 的多模光纤粘于注射器针头处,在光纤端部 1 cm 区域涂覆 50 nm 的金膜实现光纤表面等离子共振。光纤端面可以看作金属反射镜,将光波反射回光谱仪。传感器系统由光源、光谱仪、光纤耦合器和传感头构成。
   生物传感头的制作方法如下: 首先利用一夜孵化的方式将单层自组装羟基/羧基巯基混合聚乙二醇固定于金传感头表面,然后吸附链锁状球菌,利用 NaCl 和 NaOH 混合溶液冲洗传感头,将未固定的多余链球菌清洗干净就制成了生物传感头。 利用这一传感头对生物素单层 DNA 进行了探测,观测到了 5.0±1.0 nm 的波长漂移。研究结果表明,该传感器能够检测到的 DNA溶液的浓度范围是 0.5~5 M,对免疫球蛋白 IgE的检测精度能达到 2 nM。同时,利用这一传感器还可以实时监测 DNA 分子的杂交与分解运动,实验中检测到了 DNA 分子的分离常数为 30.9±2.9nM。
   2011 年,该课题组又制作了顺磁性材质修饰的纳米光纤 SPR 生物传感器,实现坚果过敏源的精确快速检测。 利用顺磁性材料修饰的光纤 SPR传感器对 Ara h1 探测的灵敏度为 0.09 g/mL,比普通的光纤 SPR 传感器的灵敏度 9 g/mL 高了两个数量级。该传感器能够在 1.0~2 g/mL 的范围内线性动态测量,并且能够重复使用 35 次而不降低传感灵敏度。
   2012 年,加纳的 Akowuah E K 等理论研究了光子晶体光纤 SPR 生物传感器,利用 HE11和HE11模对生物膜检测。HE11和 HE11模振幅检测灵敏度能够达到 4×10 5 RIU 1和 8×10 5 RIU 1,而波长检测灵敏度达到 5×10 5 RIU 1和 6×10 5 RIU 1。2013 年,重庆理工大学的刘盛平等研制了一种用于心肌肌钙蛋白 I (cTn I) 检测的局域 SPR光纤传感器。 在光纤局部腐蚀掉包层后利用纳米银膜形成 SPR,用葡萄球菌 A 蛋白作为鼠抗人 cTn I的连接体,实现对 cTn I 浓度的检测。结果表明,当 cTn I 浓度在 20~120 ng/mL 范围内时,消光峰位移的对数与浓度呈线性关系, 线性系数为 0.9962,利用夹心法能实现 10 ng/mL 的检测灵敏度。
   2 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。按照光纤倏逝波生物传感器的结构, 可以将其分为 3 种:第 1 种是直型 (是光纤纤芯直径),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。2010 年,印度 Sai V V R 等人利用 280 nm 的紫外光 LED 作为光源对生物分子进行检测。将 200 m 直径的光纤 15~30 cm,中间 5 cm 利用机械方法剥去包层,再用 0.3 m 的抛光纸抛磨端面。 传感部分表面用铬酸溶液浸泡产生羟基组团,再用去离子水冲洗后置于 115 ℃烤箱中烘干 2 h,浸入 1%的酒精硅烷溶液将传感区进行硅烷化。 经过化学处理的传感头在 0.1 mg/mL 的人IgG 抗体溶液中孵化 16 h,再用磷酸盐缓释液(phosphate buffered saline, PBS) 冲洗干净就制成了生物传感头。 实验室中利用该传感器对 50 g/mL的羊抗人 IgG 进行探测, 吸光率能够达到的最大值为 0.036。第 2 种是锥型, 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。 2010 年, 伊朗 Mohammad IsmailZibaii 等人通过将单模光纤拉锥的方法测量溶液中大肠杆菌的增长速度。 锥形光纤是用热拉的方式实现的,光纤的锥腰直径是 6~7 m,锥形区长度为 3 mm。在光纤的锥区通过涂覆多聚赖氨酸(Poly-L-Lysine, PLL) 来吸附细菌。在适当的条件下当细菌逐渐增长时, 锥区吸附膜层的折射率也在增加,从而影响了倏逝波的穿透率,测量灵敏度达到了 60 E. coli mm 2。第 3 种是 U 型。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。

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