光纤生物传感器-PPT课件.ppt

1、1光纤生物传感器2优势优势 3 分类分类 应用应用242目录目录概述概述 1展望展望 53概述传感器（传感器（sensor,transducersensor,transducer） 能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，它通常由敏感元件和转换元件组成。组成结构图：4概述生物传感器生物传感器 生物传感器是以固定化的生物材料作为敏感元件，与生物传感器是以固定化的生物材料作为敏感元件，与适当的转换元件结合所构成的一类传感器。适当的转换元件结合所构成的一类传感器。 图示生物传感器原理：图示生物传感器原理： 5概述 以光纤传导和收集光信号进行生物检测的传感器称为以光纤传导和收

2、集光信号进行生物检测的传感器称为光纤生物传感器光纤生物传感器( fiberoptic biosensor, FO BS),( fiberoptic biosensor, FO BS),这种传这种传感器通过检测生物反应所产生的光感器通过检测生物反应所产生的光, ,通过检测光的强度、振通过检测光的强度、振幅、相位等参数确定被检物质的量。幅、相位等参数确定被检物质的量。 光纤生物传感器光纤生物传感器: :6分类 按照其光学现象来进行传感可分为光吸收型、渐按照其光学现象来进行传感可分为光吸收型、渐逝波型、荧光型与磷光型传感，逝波型、荧光型与磷光型传感，7分类光吸收型传感器光吸收型传感器 ： 光吸收型传

3、感器的工作原理是根据被测物对特定波光吸收型传感器的工作原理是根据被测物对特定波长产生吸收并对光吸收强度进行测量来测定被测物。产长产生吸收并对光吸收强度进行测量来测定被测物。产生的特定波长的光信号经过耦合到光纤生的特定波长的光信号经过耦合到光纤, ,通过光纤传递通过光纤传递到透镜到透镜, ,通过透镜把光转换成准直光并通过光纤传递到通过透镜把光转换成准直光并通过光纤传递到检测装置检测装置, ,根据检测到的特定波长的光强度可以测定被根据检测到的特定波长的光强度可以测定被测物测物 。8分类渐逝波型传感器渐逝波型传感器 当光照射到光纤表面时当光照射到光纤表面时, ,并不能立即产生全反射并不能立即产生全反

4、射, ,而是渗入光疏介质一定深度而是渗入光疏介质一定深度, ,这一现象叫作渐逝波这一现象叫作渐逝波 把处于测量场中的光纤外一小段包层去掉露出纤心把处于测量场中的光纤外一小段包层去掉露出纤心, ,再在这段芯上涂上一层折射率小于纤芯折射率的物质再在这段芯上涂上一层折射率小于纤芯折射率的物质, ,敏感包层对被测物进行吸附敏感包层对被测物进行吸附, ,使敏感包层折射率发生变使敏感包层折射率发生变化化, ,或光在敏感包层中的传输损耗增大或光在敏感包层中的传输损耗增大, ,光纤的波导结构光纤的波导结构发生变化发生变化, ,引起输出端光功率减小引起输出端光功率减小 , , 这种减小与被测物这种减小与被测物浓

5、度有关浓度有关 特点：特点： 不受来自主体溶液的干扰不受来自主体溶液的干扰, ,从而在分析检测中发从而在分析检测中发挥巨大作用挥巨大作用, ,因为不必将生物反应结合的生物成分与因为不必将生物反应结合的生物成分与游离的成分分离游离的成分分离, , 减少了实验步骤减少了实验步骤, ,缩短了检测时缩短了检测时间间 。9分类荧光型传感器荧光型传感器 ： 通过测定特征荧光光谱对被测物进行定性和定量检测通过测定特征荧光光谱对被测物进行定性和定量检测的传感器可以归入此类。这类传感器灵敏度高的传感器可以归入此类。这类传感器灵敏度高, ,发展很快。发展很快。 荧光的产生包括在激发光作用下物质本身产生的荧光或者荧

6、光的产生包括在激发光作用下物质本身产生的荧光或者通过标记的荧光物质产生荧光。通过标记的荧光物质产生荧光。 为了在光纤传感器中使用荧光效应，就必须保证光源、为了在光纤传感器中使用荧光效应，就必须保证光源、荧光染料和探测器系统的光谱特性相互匹配。光源和探测荧光染料和探测器系统的光谱特性相互匹配。光源和探测器一般都为宽带器件，需要附加滤波器使其工作于窄带范器一般都为宽带器件，需要附加滤波器使其工作于窄带范围，还可以构造若干谱重叠积分运算，以辅围，还可以构造若干谱重叠积分运算，以辅助系统优化设计。助系统优化设计。1011分类磷光型传感：磷光型传感： 由于分子的受激态能维持数纳秒，因此具有荧光由于分子的

7、受激态能维持数纳秒，因此具有荧光现象的有机化合物的应该寿命通常非常短，另外，即现象的有机化合物的应该寿命通常非常短，另外，即使分子的受激态能维持较长时间，附近环境中的其他使分子的受激态能维持较长时间，附近环境中的其他物质也会使这些受激态分子返回基态。而对于固态物物质也会使这些受激态分子返回基态。而对于固态物质，其寿命则长得多，特别是可以利用其磷光现象。质，其寿命则长得多，特别是可以利用其磷光现象。磷光现象也有两个基本的应用：磷光现象也有两个基本的应用： 作为标记方法作为标记方法: : 它作为标记物优于荧光现象的地方它作为标记物优于荧光现象的地方在于，当激发光散去之后仍存在磷光辐射，这样就能在于

8、，当激发光散去之后仍存在磷光辐射，这样就能消除激发光的散射影响，而激发光的散射影响正是荧消除激发光的散射影响，而激发光的散射影响正是荧光系统中限制系统性能的因素。光系统中限制系统性能的因素。 作为探测器：磷光可以淬灭，这一现象可用于传感。作为探测器：磷光可以淬灭，这一现象可用于传感。例如，在商品化的光纤湿度测量系统中，就利用了高例如，在商品化的光纤湿度测量系统中，就利用了高温下稀土磷光体的猝灭现象温下稀土磷光体的猝灭现象12优势1. 1. 光纤易于加工成小巧、轻便和空间适应性好的传光纤易于加工成小巧、轻便和空间适应性好的传 感器探头；感器探头；2. 2. 光纤本身有良好的绝缘屏蔽作用，其抗电磁

9、干扰光纤本身有良好的绝缘屏蔽作用，其抗电磁干扰能力强，对环境、温差的适应能力也很强；能力强，对环境、温差的适应能力也很强；3. 3. 操作方便，测量速度快，时间短；操作方便，测量速度快，时间短；4. 4. 灵敏度高，生物特异性强；灵敏度高，生物特异性强；5. 5. 可以进行现场检测可以进行现场检测 6. 6. 可以对生物反应实施动态检测。可以对生物反应实施动态检测。13应用在医学领域的应用：在医学领域的应用： 医学检测是光纤生物传感器最重要的应用领域，医学检测是光纤生物传感器最重要的应用领域，主要用于酶主要用于酶 、抗原抗体以及核酸检测。、抗原抗体以及核酸检测。 Masson Masson等将

10、乳酸氧化酶固定在具有脂质双层结等将乳酸氧化酶固定在具有脂质双层结构的细菌细胞膜上构的细菌细胞膜上, ,细菌细胞膜组合到光纤氧电极细菌细胞膜组合到光纤氧电极上上 , ,这种乳酸传感器在检测心肌梗死、充血性心衰这种乳酸传感器在检测心肌梗死、充血性心衰 、肺气肿、出血等导致的乳酸升高具有较好作用肺气肿、出血等导致的乳酸升高具有较好作用 , , 并并且不受葡萄糖且不受葡萄糖 、果糖、果糖 、谷胺酸等影响、谷胺酸等影响 。14应用在环境监测方面的应用：在环境监测方面的应用： 为了更好的监测和保护环境为了更好的监测和保护环境 , , 需要简单快捷的检测技需要简单快捷的检测技术术 , , 光纤生物传感器在环

11、境污染物检测方面也因此得到很光纤生物传感器在环境污染物检测方面也因此得到很好的发展好的发展 , ,特别是针对各种农业中的除草剂、有机磷农药以特别是针对各种农业中的除草剂、有机磷农药以及污染环境的工业废物装置及污染环境的工业废物装置 Magrisso Magrisso 等将重组生物发光细菌等将重组生物发光细菌 lac : luxCDA BE lac : luxCDA BE 用琼脂固定在光纤表面用琼脂固定在光纤表面 , , 用于检测挥发性有机化合物苯用于检测挥发性有机化合物苯 、甲苯甲苯 、乙苯、乙苯 、二甲苯、二甲苯 , , 由于这些化合物导致细菌发光减由于这些化合物导致细菌发光减少少 , ,

12、通过在琼脂中加入不同大小的玻璃珠和减少膜的厚度通过在琼脂中加入不同大小的玻璃珠和减少膜的厚度使气体更容易扩散使气体更容易扩散 , , 取得了较好检测效果取得了较好检测效果 。15应用在食品卫生方面的应用：在食品卫生方面的应用： 食品卫生是关系到人们生命健康的重要问题食品卫生是关系到人们生命健康的重要问题 , , 尽快尽快的检测食品中的细菌的检测食品中的细菌 、毒素是有关部门非常重要的任务，光、毒素是有关部门非常重要的任务，光纤生物传感器在这方面也得到了较好的应用。纤生物传感器在这方面也得到了较好的应用。 Kshan Rjal Kshan Rjal 等人将针对大肠埃希菌等人将针对大肠埃希菌 O1

13、57 : H7 O157 : H7 的单克的单克隆抗体共价结合在经过拉细处理的光纤表面隆抗体共价结合在经过拉细处理的光纤表面 , , 通过抗原抗体通过抗原抗体的特异性反应检测大肠埃希菌的特异性反应检测大肠埃希菌 O157 : H7 , O157 : H7 , 其灵敏度达到其灵敏度达到 70 cell /ml, 70 cell /ml, 并具有很高的特异性并具有很高的特异性 。 16应用在生化战剂检测方面的应用：在生化战剂检测方面的应用： 生化战剂曾经作为一种大规模杀伤性武器造成了无数人生化战剂曾经作为一种大规模杀伤性武器造成了无数人员的伤亡员的伤亡 , , 在当前恐怖主义猖獗的环境下在当前恐怖

14、主义猖獗的环境下 , , 生化对人类的生化对人类的威胁已经渗透到人们的日常生活范围威胁已经渗透到人们的日常生活范围( ( 如邮件如邮件) , ) , 因而对生因而对生化战剂检测的快速和准确性的要求已经达到前所未有的高度。化战剂检测的快速和准确性的要求已经达到前所未有的高度。 美国海军实验室研制安装在飞机上用于检测枯草杆菌的美国海军实验室研制安装在飞机上用于检测枯草杆菌的光纤生物传感器监测范围达到光纤生物传感器监测范围达到 1640cm2 , 1640cm2 , 并能适时传回数并能适时传回数据据 , , 真正达到遥测的目的。真正达到遥测的目的。 17展望 光纤生物传感器技术作为目前生物检测技术的

15、发展方向之光纤生物传感器技术作为目前生物检测技术的发展方向之一已经取得很多重要的突破。不过也应该看到一已经取得很多重要的突破。不过也应该看到, ,光纤生物传光纤生物传感器还存在一些不足感器还存在一些不足, ,传感器长期稳定性、可靠性和一致性传感器长期稳定性、可靠性和一致性还不是很理想还不是很理想, , 在免疫分析中荧光试剂漂白现象还较严重在免疫分析中荧光试剂漂白现象还较严重, , 同其他生物传感器相比线性范围较窄同其他生物传感器相比线性范围较窄, , 这些不足需要我们不这些不足需要我们不懈的努力去改进和完善。从最近的研究成果来看懈的努力去改进和完善。从最近的研究成果来看, , 这些问题这些问题正在被逐渐的解决正在被逐渐的解决, ,并向临床实用化方向迈进并向临床实用化方向迈进, , 相信在不久相信在不久的将来将有成熟的产品推向市场。的将来将有成熟的产品推向市场。18Thank you!