第4章-光化学与生物传感器-1

分析化学的重要任务：选择性获取物质的化学信息通常的做法：取样实验室各种分析方法GC，LC，IR，MS，NMR…社会发展的要求：InlineOnlineInvivo（invitro）……interface第四章光化学与生物传感器把获取的信息进行转换，即将其转换成一种与被测量有对应关系的便于传输处理的信号（通常是光、电信号）这种通过获取信息并把其转换为某种信号加以传输与处理的过程非常类似于人利用感官感受外界信息并把其送达到大脑进行处理的过程。压力传感器

温度传感器

磁传感器光传感器气体传感器

气味传感器

味道传感器物理量传感器压力、温度压力、声音、磁化学∕生物传感器生物体反应：跨膜运输

酶反应

免疫反应

核酸杂交离子传感器酶传感器

免疫传感器

基因传感器味觉：有机物（香、甜、苦味）无机物（盐、酸味）嗅觉：各种有味气体触觉视觉听觉光脑信息理处心中定义国标GB/T7665-1987《传感器通用术语》“能感受规定的化学量并转换成可用输出信号的传感器”1991年，IUPAC将化学传感器定义如下：1990年，O.S.Welfbeis的定义：化学传感器ChemicalSensors电化学传感器光化学传感器（光极）ElectrochemicalSensorsOpticalChemicalsensorsOptrodeOptodepH电极pH试纸参考文献

王柯敏，光化学传感器理论与方法，湖南教育出版社，长沙，1995JosephR.Lakowicz,TopicsinFluorescenceSpectroscopy.Volume4,ProbeDesignandChemicalSensing,NewYorkKluwerAcademicPublishers,NewYork,2002OttoS.Wolfbeis,Fiber-OpticChemicalSensorsandBiosensors,AnalyticalChemistry,2004,76(12),3269-3284;(Review)目录4-1基本概念4-1-1发展概况 4-1-2光谱学基础4-1-3光学波导基础 4-1-4测量仪器4-1-5光化学传感器的分类和特点4-1-6传感器特征4-2敏感试剂固定化方法4-2-1概述 4-2-2敏感层支持材料4-2-3机械固定法 4-2-4电价固定法4-2-5共价固定法4-3信号转换方式4-4发展方向历史1930年代Kautsky，Hirsch吖啶黄/荧光素硅胶磷光氧1968Bergman荧蒽聚乙烯荧光氧1975Lubbers，Opitz芘丁二酸聚乙烯荧光氧气敏光化学传感器1974Hesse将光化学传感器与光纤联系起来1975Hardy光纤全内反射1980PetersonpH，血气测量里程碑4-1基本概念4-1-1发展概况材料、器件的发展古代烽火台光通信1951玻璃光纤损耗大1970年代100-1000dB/km$X00/m1970年后气相沉积法0.2dB/k1980年$5-10/m窗玻璃数千dB/km1990年$0.1/m光学玻璃>500dB/km同轴电缆10dB/km光纤通信光学波导光源检测器被检测的信号常规的光谱信息二次谐波光致发光相分辨等离子体共振(SPR)检测对象无机离子无机中性分子芳香烃脂肪烃醇胺有机酸药物、酶……光化学传感器，又称光极，是建立在光谱化学和光学波导与量测技术基础上的将分析对象的化学信息以吸收、反射、荧光或化学发光、散射、折射和偏振光等光学性质表达的传感装置。基于三氟乙酰苯衍生物的湿度传感器4-1-2光谱学基础

紫外与可见吸收红外吸收 敏感膜与不同浓度锂离子溶液平衡后的荧光光谱（ex=420nm）

pH7.0Tris-HClbufferpH9.0Tris-HClbuffer510-6mol/LLi+

510-5mol/LLi+

510-4mol/LLi+

510-3mol/LLi+110-2mol/LLi+

510-2mol/LLi+

0.1mol/LLi+

0.5mol/LLi+

1.0mol/LLi+

0.1mol/LNaOH

荧光磷光

1930年代Kautsky，Hirsch吖啶黄/荧光素硅胶磷光氧

化学发光鲁米诺+H2O2产物+hv拉曼频移（与Stokes位移相对比）：定性分析及结构分析的基础不同物质+同一频率光：不同拉曼频移同一物质+不同频率光：相同拉曼频移、不同拉曼光频率拉曼与荧光的区别：荧光的hv改变，hv’不变拉曼的hv改变，hv’改变，但不变RamanspectrumforCCl4excitedbylaserradiationof0=488mmand=20,492cm-1.ThenumberabovethepeaksistheRamanshift, cm-1.

拉曼散射折射、反射、衍射和干涉偏振其他技术

4-1-3光学波导基础 全内反射消失波 光学波导构型光学波导损耗光导纤维制造工艺简介全内反射消失波光学波导构型光学波导损耗光导纤维制造工艺简介激光器发光二极管灯光源光电二极管(PD)光电倍增管(PMT)4-1-4测量仪器光源和光检测器光极探头设计聚合物保护层pH传感器pCO2传感器pO2传感器热电偶1mm光导纤维压力传感器20号动脉导管复合光极血管分类标准光学波导光学信息复杂程度传光型功能型吸收、反射、散射、折射、发光普通光学波导型化学修饰型生物修饰型4-1-5光化学传感器的分类和特点光学波导在传光型光化学传感器中，光学波导器件只起传输光的作用，利用检测对象本身或另外修饰上去的敏感层的光学性质来完成检测。目前很多光化学传感器是属于传光型的。例如测量电镀液中铜离子浓度和环境中UO22+浓度，利用的是检测对象本身的光学性质，光纤都只是用来传输光的。功能型传感器又叫做传感型传感器，或本征传感器，利用了光纤本身的性质。最初，功能型传感器都是用于物理参数的测量。氢气传感器可能是最早用于化学参数测量的例子。这种传感器利用了光纤压力传感器Mach-Zehnder干涉效应：光纤表面涂覆的钯黑吸附氢气后压缩光纤，使传输光相位发生变化。基于消失波的传感器也可以看作功能型的。例如，光导纤维的一段包层被剥去，代之以敏感试剂层。光学信息光学信息是多种多样的。因此，光化学传感器又可分为吸收、反射、散射、折射和发光等多种类型。其中基于发光现象的光化学传感器是最为庞大的一支。它又可分为荧光、磷光、化学发光等不同类型。复杂程度--普通光学波导型普通光学波导传感器是结构最为简单的一种。它本身不具备化学识别功能，其传感机理被动地依赖于分析对象本身固有的光学性质，因此也称为被动光极。这种传感器的选择性受到制约，而且分析对象也受到限制。但是这种传感器不存在光漂白和试剂被洗脱的问题，因此寿命长，稳定性好。又因为不存在样品与敏感层中试剂的作用，其响应时间短，能瞬间检测到样品性质的变化。这类传感器在实际应用方面处于领先地位。如环境中铀酰离子的测定、血液氧饱和度的体内测量等。由于普通光学波导传感器本身不具备化学识别功能，因此常在光学波导器件的适当位置固定一层化学试剂（敏感层）以提高光化学传感器对分析对象的识别能力。这类光化学传感器通过修饰的试剂敏感层与分析对象之间的相互作用来产生可检测的光学性质变化，不再依赖于分析对象本身的光学性质，因此又称为主动光极。由于增加了有化学识别功能的敏感层，因此具有选择性好、测量对象多等优点，但随之而来的是光漂白和试剂洗脱等问题。这类传感器根据测量机理的不同，又分为简单配合物体系、离子交换体系和共萃取体系等。复杂程度--化学修饰型事实上，并不是所有的物质都有相对应的合适的指示剂。为了解决这个问题，常在普通光学波导传感器或化学修饰光化学传感器上在修饰一层生物敏感层。生物敏感层与分析对象相互作用，产生能被普通光学波导传感器所检测的光学信号或能被化学修饰光化学传感器所检测的物质。这类基于生物识别的光化学传感器具有更高的选择性和灵敏度。酶、抗原、抗体是光化学传感器中用得较多的生物物质。复杂程度--生物修饰型光化学传感器的特点优势1几何外形上的优势光学波导器件易于加工成小巧、轻便和空间适应性好的探头。从原理上讲，光导纤维及其探头的直径可以小到与其传导的光波长属同一数量级。目前，直径100m的普通石英光纤可拉制成直径0.1m以下的探针。这样小巧的探针可直接插入那些非整直的空间和无法采样的小空间（如活体组织、毛细血管、细胞等）中，对分析对象进行连续监测。由这种探针制成的亚微米光导纤维化学传感器已能对活体胚胎的pH进行连续监测。另一方面，各种电光、光电器件的小型化和集成化，使得整个分析仪器变得小巧轻便。基于发光二极管、光电二极管及集成电路，可制成轻巧紧凑的光化学传感装置。优势2信号传输的特点光导纤维的传输损耗小，是目前除超导器件外传输损耗最小的传输线。目前光导纤维的损耗可降至0.2dB/km，已接近理论极限，而载频通讯用同轴电缆的损耗也有10dB/km。这就为遥测分析提供了强有力的手段。另一方面，光导纤维的传输容量大，一根通讯光纤可容纳几亿路电话，这对于构成传感器阵列特别方便。这些都是其它传感体系所不具备的优势。优势3环境适应性好光化学传感器的抗腐蚀能力强并且抗电磁干扰，探头可在高温、低温、腐蚀性、易燃、易爆、强电场及放射性等恶劣环境中使用。对电化学传感器有较大影响的静电、表面电势、强磁场等均不干扰光学信号。而且由于探头不带电，特别适用于临床检测及生物化学的研究，避免了电刺激对测量环境的影响。优势4检测方面的优势光化学传感器所涉及的许多光学信号测量利用了自参比方式，因此不再需要外部的参比信号。这点对微型生物传感器来说特别有利。对于微型生物电传感器来说，两个电解质之间的液－液接界电位往往是误差的主要来源。优势5理论及实验基础雄厚光学方法在分析化学中有较长的历史，一直占有重要地位。各种光度试剂，如吸光光度试剂、荧光试剂和化学发光试剂等都获得了充分发展。通过适当的修饰方法用于光化学传感器，能大大丰富现有传感器的测试对象。尤其是许多电化学传感器不能直接检测的中性分子可用光化学传感器直接检测。另一方面，基于光纤的物理光学性质，发展了许多新技术。例如，利用光导纤维消失波制成的免疫传感器，能在线地分析抗原和抗体，这是非放射免疫分析方法的一项重要突破。缺陷1环境光的干扰一般情况下，光化学传感器的探头部分应该避免环境光的影响，有时可以利用编码方法消除背景干扰。目前利用电子部件很容易实现各种不同的编码方式。缺陷2试剂相的改进固定化试剂相的光漂白和流失是影响光化学传感器长期稳定性的主要因素。许多指示剂在光照下会分解，引起颜色的减弱或荧光强度的下降。探测光强度越大，这种现象越明显。另一方面，由于光化学传感器的响应平衡与传质平衡有关，因而敏感层都做得很薄以获得较短的响应时间。这样在使用过程中，试剂将逐渐从敏感层上被洗脱下来随样品离去。虽然许多光化学传感器检测的是相对信号，在短期内不影响使用，但使用寿命还是受很大影响。因此，合成新的稳定性好的光度试剂，改进试剂相的固定化方法，对光化学传感器的实用化有十分重要的意义。缺陷3检测范围较窄许多以强度为检测信号的光化学传感器，其响应服从质量作用定律，检测范围比离子选择电极要窄。4-1-6传感器特征选择性

灵敏度、测量范围和检出限

①线性范围

AB段对应的检测离子的活度（或浓度）范围