光纤光栅生物传感器的研究进展

光纤光栅生物传感器的研究进展

生物传感器不仅促进了生物技术在20世纪的迅速发展，而且为人类健康、农业、食品、环境和国防的发展提供了保障。因此生物传感器的前景甚为辉煌。研制新型传感器是促进生物技术发展的核心之一。由于光纤生物传感器有不同于其他电学传感器的特性是灵敏度高和抗电磁干扰等,使得其在物质探测领域如抗体、核酸、农药、炸药和其他小分子物质得到了广泛应用。常用的光纤生物传感器是利用化学方法检测固定于光纤表面的生物分子膜的变化。当待测物质与生物分子膜反应时,会使起辅助性作用的荧光指示剂(或者辐射性指示剂)发出荧光(辐射),从而实现检测。它的缺点是需昂贵费时的辅助试剂。近年来,研究人员发现可利用待测物质与分子膜结合引起的光纤瞬逝场区有效折射率的变化以实现检测。由此光纤光栅生物传感器迅速成为生物传感领域研究的热点之一。这是因为;1)光纤光栅是一种本征型光纤光学传感元件,光栅周围环境的目的参量的微小变化都会引起波长的位移;2)光纤光栅传感器已经在化学、电力、航天、医学、土木等领域里得到广泛的应用,制作工艺比较成熟;3)光纤光栅具有亲生物活性、便于复用等适用于生物领域应用的优点。本文分为四个部分,第一部分介绍光纤光栅的传感原理;第二部分从三个不同的角度即光纤光栅结构的研究、可固定光纤表面的生物活性膜的研究以及应用研究,讨论了近年来光纤光栅生物传感器研究的进展情况;第三部分针对光栅生物传感器研究现状总结了目前研究面临的问题,并对光纤光栅生物传感器的研究发展方向提出一些建议。1光纤光栅检测光纤光栅是利用掺杂光纤(如锗、磷等)的光敏性,即利用紫外光照射使光纤纤芯的折射率周期性变化形成空间相位光栅。光纤光栅的实质是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件。这些器件具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小,易与光纤耦合,可与其它光器件兼容成一体,不受环境尘埃影响等一系列优异性能。因此光纤光栅在光纤通信、传感和光信息处理等领域都有着广阔的应用。传感型光纤光栅主要分两大类:一是FBG光栅(布拉格光栅,也称为反射或短周期光栅);二是LPG光栅(长周期光栅,也称为透射光栅)。图1是光纤光栅的基本结构图。它具有很多优点,例如:1)抗电磁干扰:2)具有很好的亲生物活性;3)可在高腐蚀性、高温等恶劣条件下使用:3)便于复用,实现准分布式检测:因此光纤光栅是一种很适合于生物领域的传感器。光纤布拉格光栅的原理如下:在光纤布拉格光栅(FBG)传输的光波须满足布拉格条件,即其反射中心波长λ由λ=2neffΛ确定。当需探测的外界参量作用在光栅上时,会导致Λ和neff的变化,从而使输出波长发生变化。Bragg光栅周期中心波长与应力温度的关系为Δλλ=(1−pe)εzz+(αs+ζs)ΔT,Δλλ=(1-pe)εzz+(αs+ζs)ΔΤ,其中Pe,αs和ζs分别为光纤材料的光弹系数,热膨胀系统及热光系数。FB6具有很高的应变和温度灵敏性。LPG光栅与FBG光栅的区别主要在于光栅周期(LPG的周期有数百微米)。LPG在特定的波长上把纤芯的光耦合进包层,耦合到包层的光在将由于包层与空气界面的损耗而迅速衰减,留下一串吸收阻带。一个独立的LPG可能在—个很宽的波长范围上有多个共振峰,LPG共振的中心波长主要取决于芯和包层的折射率差,即:λi=(n0-niclab)Λ(n0为纤芯的折射率,niclab为i阶轴对称包层模的有效折射率)。由于应变、温度或外部折射率变化而产生的任何变化都能在共振峰中产生较大的波长位移,通过检测Δλi,就可获得外界物理量变化的信息。LPG在给定波长上的共振带的响应通常有不同的幅度,因而LPG适用于构成多参数传感器。2光子晶体光纤光栅检测传感器近年来光纤光栅生物传感器的研究工作,其主要集中在以下三个方面:1)光纤光栅传感器的新型结构研究;2)可固定光纤表面的生物活性膜的研究;3)光纤光栅传感应用研究。本节将对此展开阐述,同时对其中的不足之处进行讨论。近年来新型光纤光栅传感器的结构研究主要集中在长周期光栅、刻蚀纤芯FBG、光子晶体光纤光栅。最早的光纤光栅生物传感器采用长周期光栅结构。2000年美国马里兰大学帕克分校的MattewP.DeLisa等人首次利用LPG制作出检测抗体抗原的免疫生物传感器。这种生物传感器就利用LPG表面敷上的特殊的生物活性膜层,使LPG包层厚度变化从而引起瞬逝场区域的有效折射率的改变,进而引起LPG透射谱的吸收峰波长的漂移,以达到检疫抗体抗原的特异性结合的目的。但是由于普通的LPG生物传感器仅可以检测到10-4的折射率变化,所以促使人们进行具有更高折射率灵敏度的光栅生物传感器的研究。2004年AthanasiosN.Chryssis等人提出了利用刻蚀纤芯法获得高折射率灵敏度的光纤光栅生物传感器。这类传感器具有非常好的特性:1)Bragg光栅的中心波长随刻蚀纤芯直径减小而减小,且变化速率逐渐变大;2)当外界折射率小于纤芯的折射率时,导模阶数越高,其折射率灵敏度越高。直径3.4μm的刻蚀纤芯光纤光栅在外界折射率与纤芯折射率匹配时可检测10-6的折射率变化,比现有结果提高了两个数量级。图2和图3分别是纤芯刻蚀实验装置和纤芯刻蚀后的光栅端面示意图。刻蚀纤芯的方式虽然可以获得高灵敏度的传感器,不过其制作过程比较复杂,而且理论上的研究还不全面,如刻蚀纤芯与灵敏度的关系等。所以距实用化和商业化还有距离。光子晶体光纤光栅是一种特殊的光纤光栅,综合了光子晶体光纤和光栅的优势。丹麦技术大学的LarRindorf等人2006年首次制作出该新型的生物传感器:光子晶体长周期光纤光栅(PCF-LPG)生物传感器。该类生物传感器具有一些很新颖的特性:1)PCF-LPG传感器对温度和中孔填充物成分不敏感;2)对分子层厚度的灵敏度很高;3)折射率的变化不依赖于中孔的有效折射率,而是依赖于中孔侧面上固定的分子层的折射率。该类传感器可探测出10-4折射率的变化,图4为该光子晶体光栅生物传感器的结构示意图。光子晶体光纤光栅传感器具有很好的优势,但是由于光子晶体模型、理论并不统一,制作过程复杂、以及光纤耦合、连接损耗等问题,使其目前尚处于探索阶段。所以光子晶体光纤光栅传感器仍然需要人们的进一步研究。不同结构的光纤光栅生物传感器具有不同的优势:1)从灵敏度上看,刻蚀纤芯光纤光栅的折射率灵敏度最高,可以检测到10-6量级折射率的变化,而长周期光栅和光子晶体光纤光栅的折射率灵敏度在10-4量级;2)从温度特性看,光子晶体光栅有着对温度和填充物不敏感,可以解决大多数生物传感器温度稳定性差的缺点;3)从应用角度上看,LPG由于发展较早以及制造工艺成熟而具有较好的优势,而刻蚀纤芯光纤光栅和光子晶体光纤光栅还处于研究的初期阶段;4)从研究角度上看,光子晶体光纤光栅、刻蚀纤芯法的理论分析都对研究人员提出了较高的挑战。近年来光栅生物传感器的应用研究主要集中在抗原检测、抗体检测以及DNA探针。在检测抗体抗原的免疫生物传感器的研究中,MattewP.DeLisa等人测试羊抗人免疫球蛋白(羊抗人IgG,一种抗体)与人免疫球蛋白(人IgG,一种抗原)特异性吸附情况;弗吉尼业理工大学的D.W.Kin等人06年利用LPG研究测试抗兔IgG和抗羊IgG的特异性吸附,国内的庄启仁等利用LPG制作了可用于血液抗原检测的生物传感器。在光栅制作DNA探针的研究中,04年加拿大麦克马斯特大学JianYang等人首次提出了利用LPG制作了DNA探针:AthanasiosN.Chryssis等人首次利用刻蚀纤芯的FBG传感器制作出高质量的DNA探针,可以用来实时监控单链DNA的杂合过程。S.S.Sanni等人也采用的是利用刻蚀纤芯的FBG生物传感器可以用来实时监控双链DNA的杂合过程。丹麦技术大学的LarRindorf等人06年首次用光子晶体长周期光纤光栅(PCF-LPC)制作了DNA探针,用来实时监控双链DNA的杂合过程。由于生物物质不能直接吸附在光纤表面,所以需要其它中间载体将生物物质(一般为单层或多层分子)链接到光栅表面。在光纤表面固定生物分子层(也称生物活性膜)的研究中,近年研究的光纤光栅生物传感器采用了偶联法、自组装以及偶联法结合卵白素—生物素桥连法等方式将生物分子层固定在光栅表面。MattewP.DeLisa等人利用APTS在含水溶剂中修饰光纤光栅表面,生成了(APTS)多分子层,再通过戊二醛与抗体(羊抗人IgG)偶联,实现抗体在光栅表面的固定,制作成可探测抗原的生物传感器。JianYang等人利用APTS层修饰光栅表面,再利用卵白素-生物素桥连法将生物素化的单链DNA固定在光栅表面制成DNA探针。弗吉尼业理工大学的D.W.Kin等利用自组装的方式抗体,即利用聚电解质多层膜[PAHPSS]10PAH来通过固定兔IgG,制成可探测抗原的传感器。AthanasiosN.Chryssis和S.S.Sanni等人利用3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)层生成活性多分子层,利用戊二醛将单链DNA固定在光栅表面。S.S.Sanni等人还利用了(APTDS)层生成活性多分子层以及戊二醛在光栅表面固定双链DNA。LarRindorf等人采用了另一种偶联法在光纤表面固定生物物质,即在光子晶体中孔内利用带负电的聚烯丙基胺盐酸盐(PAH)固定带正电的双链DNA。生物传感器多是一次性的,如果能在分离传感器和目标生物物质后,保证固定在光栅表面生物分子层的活性,就意味着可以迅速降低生物传感器的成本,具有良好的商用前景。MattewP.DeLisa等人利用了二乙胺分离抗体抗原的链合,在重复使用5次后该传感器仍能保证85%的活性,证实了光栅生物传感器的商用的可行性。光纤表面固定生物分子膜的研究中,我们可以考虑利用其它方法固定生物分子膜,生成更致密厚度可精确控制的分子层,这样使得生物传感器可重复性较好。比如:液相沉积法中,采用在有机溶剂中APTS修饰光栅要比在水溶剂修饰光栅表面所生成的分子层的可控性和反应的重复性较好;2)采用APTS气相沉积修饰二氧化硅的方法要比液相沉积法具备更好的可控性和重现性。另外,应注意的是,利用光纤光栅传感器可以实现对生物膜固定过程的在线监控,这使得光纤光栅对光纤表面固定生物分子膜的研究有很好的促进作用。3光纤光栅生物传感器的应用展望本节将分析光栅生物传感器的研究工作的意义以及其面临着的限制,并提出作者对光纤光栅生物传感器的发展的一些看法。近年光纤光栅生物传感器的研究工作不仅可以促进本身的发展,还可以促进相关领域研究工作的发展,如:1)光纤光栅传感器的新型结构,如AthanasiosN.Chryssis等人提出刻蚀纤芯法的光纤光栅最早应用在生物领域,也可用于化工、坏境、医学等领域;2)可固定于光纤表面的生物活性膜的研究,既有利于光纤光栅对折射率检测的高灵敏性以及实现生物膜固定过程的在线监控,又可促进生物活性膜的研究;反过来,生物活性膜的研究也会进一步促进光纤光栅生物传感器的研究工作;3)光纤光栅传感应用研究会促进相关学科的发展,例如,抗原抗体生物传感器可以应用在临床诊断、医学科研领域,DNA生物传感器可以应用在环境监控如检测污染物和其它环境有害物质等测检。利用光纤光栅生物传感器的小尺寸、便于复用、耐腐蚀、可重复等特性还可以实现DNA阵列传感器等,以满足将来医疗诊断、基因研究、新药研制、环境监测、食品安全等方面的需求。所以光纤光栅生物传感器预计会有一个很好的发展前景。不过也必须看到目前光纤光栅生物传感器尚处于初步研发阶段,需要开展的工作还很多,例如:1)光纤光栅传感器的新型结构研究,比如进一步展开对刻蚀纤芯光栅以及光子晶体长周期光栅的传感机理的研究;2)可固定光纤表面的生物活性膜的研究,包括:光栅表面形成的生物膜厚度和密度的控制方法的研究如气相沉积法;在光纤表面固定的方法的研究,如还可以利用双功能或多功能试剂的交链法、吸附法和酶素固定法等同定抗体抗原;可以通过吸附、键合、电聚合、自组装等方式将单(双)链DNA片段固化到固体电极的表面而形成DNA分子探针。3)光纤光栅传感应用性研究,如利用光纤光栅具有耐腐蚀性特性便于光纤光栅在生物领域的由生命物质活动产生的可能污染环境的有害物质;利用便于复用、可检测多参数等特性可用在生物制药等领域实现在线多点监控,利用亲生物活性等特性检测环境中的生