化学与生物传感资料

第四章光学传感器4.1

导论4.2光谱法为基础的光学传感器4.3发光为基础的光学传感器4.4光纤传感器4.5表面等离子体共振为基础的光学传感器4.1导论

光学传感器起源

石蕊试纸---------现代光化学传感器的雏形

烽火台有化学识别功能的酸碱指示剂（这里是石蕊溶液）固定于纤维素上（这里是白纸），它可以将溶液中氢离子浓度的变化表现为光吸收性质（这里是试纸的颜色）的变化。

4.1导论

石蕊试纸---------现代光化学传感器的雏形石蕊地衣在中性溶液里，分子和酸根离子共存，因而溶液呈紫色，即不变色。（[HZ]=[Z-]）遇酸变红PH≤4.5弱酸、中性、弱碱不变色4.5<PH≤8.3遇碱变蓝PH>8.34.1导论是利用敏感层与被测物质相互作用前后物理、化学性质的改变而引起的传播光特性的变化监测物质的一类传感器。

光学传感器定义

光与物质之间的相互作用包括：吸收、色散（折射率变化）、反射（镜面反射、漫反射）、散射（拉曼散射）、荧光淬灭等。

光测量装置的优点：

不需采用“参考电极”，但也常常用到参考源；不受电子干扰，这种特性在有电磁场干扰的情况下尤为重要；固定试剂不需要与任何光导纤维相接触，并且容易置换；不存在电安全方面的危险；4.1导论

光测量装置的优点：

有些待分析质在光学平衡基础上被敏感，受温度波动等影响小；稳定性高，尤其在进行双波长测定时；能设计成多功能传感器，可以对一种以上待分析物采用多种固定试剂在不同波长处同时作出响应；4.1导论

光测量装置的缺点：

容易受到背景光的干扰；与其他传感器比较，其具有有限的动力学范围（一般102）；相对难以小型化；在入射光照射下反应试剂的长期稳定性存在问题；响应时间可能会慢一些；4.1导论4.2光谱法为基础的光学传感器

紫外/可见光谱（UV/Vis）荧光光谱光与分析物的电子结构之间的相互作用或者待分析物引起敏感材料分子的电子结构扰动。

有机分子和生物分子电子跃迁的类型

4.2.1紫外/可见吸收光谱为基础的传感器吸收光谱在真空紫外区波长<150nm，不实用。吸收波长200nm，紫外-可见吸收光谱，实际实用。-胡罗卜素咖啡因阿斯匹林丙酮

几种有机化合物的分子吸收光谱图。4.2.1紫外/可见吸收光谱为基础的传感器

应用比尔-朗伯定律进行定量分析，测量得到的特定波长的吸光度与浓度成线性比例关系。比尔-朗伯定律（Beer-Lambert）lg(I/I0)=A=cl4.2.1紫外/可见吸收光谱为基础的传感器入射光的强度为I0，透射光强度为I

溶液的浓度为c，液层的厚度为l，为吸光系数，A为吸光度。

4.2.1紫外/可见吸收光谱为基础的传感器pH

传感器pH10.1～11.1（蓝→红）

4.2.1紫外/可见吸收光谱为基础的传感器酯类和脂肪类光学生物传感器对硝基苯磷酸酯+H2O对硝基苯酚+磷酸碱性磷酸酶对硝基苯酚在可见光区有光吸收,通过测量在404nm波长下光吸收值的变化对底物浓度进行定量，线性范围为0400μmol/L。图4.1荧光产生过程原理图。4.2.2荧光光谱为基础的传感器

荧光

荧光淬灭

产生荧光经历激发态持续阶段时，激发态荧光分子通过分子间碰撞或分子内能量的转移，将自己的能量转移出去。以非荧光发射的形式回到基态，这就造成荧光淬灭，量子产率降低的情况。M*+QM+Q*kqM*M+hv

kf荧光淬灭新的化学物质Q4.2.2荧光光谱为基础的传感器

传感原理

荧光试剂本身荧光光谱

利用被测物本身的荧光或与荧光分子之间的相互作用引起荧光强度的变化检测荧光-淬灭式传感器

卤化物Cl-、Br-和I-

氧气等许多物质都是荧光淬熄剂。荧光标记型传感器

被测物本身没有荧光，也不于荧光分子发生相互作用，荧光分子仅为标记物，来检测。4.2.2荧光光谱为基础的传感器

定量依据

If=2.3f

I0lc=

Kc

荧光传感器的特点优点：荧光分析法的灵敏度一般高于比色法和分光光度法。选择性高。方便快捷、取样容易、试样用量少等优点。4.2.2荧光光谱为基础的传感器不足：应用范围还不够广泛。

利用荧光二聚体技术设计金属离子传感器4.2.2荧光光谱为基础的传感器

荧光淬灭的苦味酸光化学传感器4.2.2荧光光谱为基础的传感器苦味酸（2,4,6,-硝基酚）敏感材料：N,N’-二苄基-3,3’,5,5’-四甲基联苯二胺

荧光传感器的应用4.2.2荧光光谱为基础的传感器荧光探针及其相关技术：

由于大多数被检测对象（如生物分子）本身无荧光或荧光较弱，被检测时灵敏度较低，人们用强荧光的标记试剂或荧光生成试剂对待测物进行标记或衍生，生成具有高荧光强度的共价或非共价结合的物质，使其检出限大大降低，这就是荧光探针技术。所用荧光标记试剂或荧光生成试剂叫做荧光探针。间接免疫荧光法示意图4.2.2荧光光谱为基础的传感器细胞毒性T细胞（cytotoxicTcell)，简称Tc细胞

荧光探针的种类4.2.2荧光光谱为基础的传感器

荧光素类衍生物和罗丹明衍生物荧光探针金属配合物荧光探针多环芳烃荧光探针超分子荧光探针荧光蛋白荧光探针荧光纳米材料荧光探针

荧光探针的种类4.2.2荧光光谱为基础的传感器

荧光素类衍生物荧光探针图4.3荧光素分子的两种共振体。

荧光探针的种类4.2.2荧光光谱为基础的传感器

罗丹明衍生物荧光探针

荧光探针的种类4.2.2荧光光谱为基础的传感器

罗丹明荧光探针的分析应用荧光探针罗丹明6G检出限检测对象分析原理

钌钌与硫氰酸根形成络离子与罗丹明0.002ppm

6G形成复合物，使罗丹明6G荧光猝灭

金金与罗丹明6G形成复合物，这种复合0.0025

物有荧光

μg.mL-1维生素B12

维生素B12使吖啶橙–罗丹明6G荧光4.8×10-7

猝灭mol.L-1

荧光探针的种类4.2.2荧光光谱为基础的传感器

荧光纳米材料荧光探针

量子点荧光探针特点：具有较强的发光强度，部分纳米颗粒具有发射光谱较窄，激发光谱比较宽、Stockes位移大等特点。

稀土掺杂纳米材料荧光探针

荧光探针的种类4.2.2荧光光谱为基础的传感器

荧光纳米材料荧光探针量子点(quantumdot,QD)

是一种重要的低维半导体材料，其三个维度上的尺寸都不大于其对应的半导体材料的激子玻尔半径的两倍。量子点一般为球形或类球形，其直径常在2到20纳米之间。常见的量子点由IV、II-Ⅵ，IV-VI或III-V元素组成。具体的例子有硅量子点、锗量子点、硫化镉量子点、硒化镉量子点、碲化镉量子点、硒化锌量子点、硫化铅量子点、硒化铅量子点、磷化铟量子点和砷化铟量子点等。

量子点荧光探针量子点具有较大的斯托克位移和狭窄对称的荧光谱图4.4

(A)发射和荧光光谱(B)水溶液中纳米样品量子点通常以CdSe为核、CdS或ZnS为壳的核-壳型纳米体，与传统的有机染料相比，它有其独特的性质：

单个波长可激发所有的量子点,而不同染料分子的荧光探针需多个激发波长应用范围广：可用于多领域和多仪器多种颜色：颜色取决于量子点的大小，在同一激发波长下，可发出多种激发光，达到同时检测多种指标的要求。抗光致漂白性安全：细胞毒性低，可用于活细胞及体内研究荧光时间长：荧光时间较普通荧光分子长数千倍，便于长期跟踪和保存结果

QD可用于非同位素标记的生物分子的超灵敏检测，如在QD表面连接上巯基乙酸（HS-CH2COOH),从而使量子点既具有水溶性，还能与生物分子（如蛋白质、多肽、核酸等）结合，通过光致发光检测出QD，从而使生物分子识别一些特定的物质。

SchematicofaZnS－CappedCdSeQDthatiscovalentlycoupledtoprotein用量子点检测肿瘤细胞Quantumdotsmodifiedwithantibodiestohumanprostatespecificmembraneantigenlightupmurinetumorsthatdevelopedfromhumanprostatecells.

荧光探针的种类4.2.2荧光光谱为基础的传感器

荧光纳米材料荧光探针

量子点荧光探针应用

荧光探针的种类4.2.2荧光光谱为基础的传感器

量子点荧光探针的应用FluorescenceResonanceEnergyTransfer(FRET)荧光共振能量转移57.Chem.Commun.2005,3201-3203;58.Chin.J.Chem.Eng.,2007,15,791-794.Nanolett.2007,7,1741-1748.

量子点荧光探针在DNA检测中的应用4.3发光为基础的光学传感器

某些化学反应只产生光辐射而没有热，称作化学发光（chemiluminescence，CL）。1877年发现洛汾碱和1928年发现鲁米诺（Luminol）化学发光试剂。莹火虫---来自生物系统的光发射称作生物发光现象。荧光素氧化荧光素+hv（562nm）荧光素酶，O24.3发光为基础的光学传感器

化学发光的原理化学发光是在化学反应过程中，由于化学物质分子吸收了化学能而受激跃迁至激发态，当激发态分子重新回到基态时，以光子形式释放能量，产生光辐射的现象。

化学发光分析法

根据化学发光反应在某一时刻的发光强度（如峰值或发光总量）来确定反应中的相应组分含量的分析方法叫做化学发光分析法。4.3发光为基础的光学传感器

化学发光分析法的特点

不需要外来光源，因而仪器设备简单，且灵敏度极高；易于其他分析方法连用；图4.5光信号的产生与检测原理示意图。光的产生光电转换系统放大系统检测记录系统4.3发光为基础的光学传感器

化学发光常用试剂

酰肼类（如鲁米诺类）亚胺类二氧杂环丁烷类酚类（如联苯三酚）罗丹明类、光泽精类过氧草酰类化合物、荧光虫素类等图4.6鲁米诺的反应类型。

鲁米诺一般用作标记，可用于任何含氧、过氧化氢或过氧化酶的分析鉴定，对免疫鉴定特别有用。4.3发光为基础的光学传感器

化学发光试剂—鲁米诺4.3发光为基础的光学传感器

化学发光传感器的应用4.3发光为基础的光学传感器

化学发光传感器的应用Anal.Chem.1995,67,2224-2230.4.3发光为基础的光学传感器

化学发光传感器的应用Anal.Chem.1995,67,2224-2230.O2

检测4.3发光为基础的光学传感器

化学发光传感器的应用Anal.Chem.1995,67,2224-2230.N2

检测4.3发光为基础的光学传感器

电致化学发光或电化学发光(ElectrogeneratedChemiluminescenceor

Electrochemi-lumiescence,缩写为ECL)是电解的氧化还原产物之间或与体系中某组分进行化学反应时生成的不稳定激发态回至基态时产生的化学发光。

ECL传感器在电化学发光研究中，通过化学修饰的方法将直接或间接参与化学发光反应的试剂固定在电极上而构建的一类实验装置泛称为电化学发光传感器（ECLsensor）。4.3发光为基础的光学传感器

ECL工作原理1.发光物直接接收电极提供的能量生成激发态或自由基离子

2.电化学产物同溶液中氧化还原剂发生ECL反应

基于Ru(bpy)32+的ECL传感器电化学发光传感器

基于Ru(bpy)32+的ECL传感器电化学发光传感器Anal.Chem.2000,72,2943-2948

基于Ru(bpy)32+的ECL传感器电化学发光传感器Anal.Chem.2000,72,2943-2948

ECL分析法的优点

联合发光和电化学检测的优点；可进行原位现场分析；对发光反应机理研究有其独特性。电化学发光传感器1976年，Breysse等发现了在氧化钍上一氧化碳氧化产生了化学发光，他们把这个现象命名为催化化学发光（cataluminescence，CTL）。

纳米催化化学发光气体传感器4.3发光为基础的光学传感器

纳米催化化学发光传感器的特点

不消耗化学发光试剂；寿命长；稳定性好；4.3发光为基础的光学传感器

纳米催化化学发光气体传感器4.3发光为基础的光学传感器Anal.Chem.2002,74,120-124.

纳米催化化学发光气体传感器4.3发光为基础的光学传感器Anal.Chem.2002,74,120-124.

纳米催化化学发光气体传感器4.3发光为基础的光学传感器Anal.Chem.2002,74,120-124.

纳米催化化学发光气体传感器图4.7

光纤的结构。

4.4

光纤传感器一、光纤的基本知识

光导纤维简称光纤，是一种比头发丝还细的能高质量传导光的玻璃纤维或塑料纤维。

1、光纤的结构

由纤芯和包层组成,最外层一层尼龙保护套。

纤芯的折射率n1一般要大于包层的折射率n2。

一、光纤的基本知识

1、光纤的结构图4.8

光导纤维

图4.9

由光导纤维构成的光缆

4.4

光纤传感器2、传光原理

光的全内反射是光纤传输光的基础。

4.4

光纤传感器图4.10

Snell定律和完全内反射的图示说明。

全反射n1>n22、传光原理

光由纤芯到包层表面，由光的折射定律可知：

图4.11

单芯光导纤维完全内反射的图示说明。

4.4

光纤传感器二、光纤传感器的基本原理光纤只作为光的传输回路，只简单地将光从光源传至光采集器。1.非功能型光纤传感器光纤传感器通常可分为功能型（传感型）和非功能型（传光型）。这种形式比尔（Beer）定律一般都适用。

4.4

光纤传感器二、光纤传感器的基本原理

用单模光纤，既传光又是敏感元件。光纤的传输特性受被测物理量作用而发生变化。使光纤中传输光的属性（相位、强度、波长、偏振态）被调制。光强调制型、相位调制型、偏振态调制型和波长调制型。2.功能型光纤传感器图4.12

用渐消场检测的光传感器。

4.4

光纤传感器4.4光纤传感器图4.13光纤化学传感器探头的类型二、光纤传感器的基本原理4.4光纤传感器

气体的测量液体泄露和液位的测量浊度的测量pH传感器化学离子的测量化合物检测（核酸测定、免疫分析、爆炸物质）

三、光纤传感器的应用4.4光纤传感器

光纤化学传感器的应用湘潭大学自然科学学报，1998，4，72吸光型光纤化学传感器测定锰的研究4.4光纤传感器

光纤化学传感器的应用北京大学学报，2001,37(2),226基于溶氧对芘丁酸荧光淬灭原理来检测水中溶解氧4.4光纤传感器

光纤化学传感器的应用北京大学学报，2001,37(2),226基于溶氧对芘丁酸荧光淬灭原理来检测水中溶解氧4.4光纤传感器

光纤化学传感器的应用药学学报，2002,37(7)