第4章-光化學與生物傳感器-1

分析化學的重要任務：選擇性獲取物質的化學信息通常的做法：取樣實驗室各種分析方法GC，LC，IR，MS，NMR…社會發(fā)展的要求：InlineOnlineInvivo（invitro）……interface第四章光化學與生物傳感器把獲取的信息進行轉換，即將其轉換成一種與被測量有對應關系的便于傳輸處理的信號（通常是光、電信號）這種通過獲取信息并把其轉換為某種信號加以傳輸與處理的過程非常類似于人利用感官感受外界信息并把其送達到大腦進行處理的過程。壓力傳感器

溫度傳感器

磁傳感器光傳感器氣體傳感器

氣味傳感器

味道傳感器物理量傳感器壓力、溫度壓力、聲音、磁化學∕生物傳感器生物體反應：跨膜運輸

酶反應

免疫反應

核酸雜交離子傳感器酶傳感器

免疫傳感器

基因傳感器味覺：有機物（香、甜、苦味）無機物（鹽、酸味）嗅覺：各種有味氣體觸覺視覺聽覺光腦信息理處心中定義國標GB/T7665-1987《傳感器通用術語》“能感受規(guī)定的化學量并轉換成可用輸出信號的傳感器”1991年，IUPAC將化學傳感器定義如下：1990年，O.S.Welfbeis的定義：化學傳感器ChemicalSensors電化學傳感器光化學傳感器（光極）ElectrochemicalSensorsOpticalChemicalsensorsOptrodeOptodepH電極pH試紙參考文獻

王柯敏，光化學傳感器理論與方法，湖南教育出版社，長沙，1995JosephR.Lakowicz,TopicsinFluorescenceSpectroscopy.Volume4,ProbeDesignandChemicalSensing,NewYorkKluwerAcademicPublishers,NewYork,2002OttoS.Wolfbeis,Fiber-OpticChemicalSensorsandBiosensors,AnalyticalChemistry,2004,76(12),3269-3284;(Review)目錄4-1基本概念4-1-1發(fā)展概況 4-1-2光譜學基礎4-1-3光學波導基礎 4-1-4測量儀器4-1-5光化學傳感器的分類和特點4-1-6傳感器特征4-2敏感試劑固定化方法4-2-1概述 4-2-2敏感層支持材料4-2-3機械固定法 4-2-4電價固定法4-2-5共價固定法4-3信號轉換方式4-4發(fā)展方向歷史1930年代Kautsky，Hirsch吖啶黃/熒光素硅膠磷光氧1968Bergman熒蒽聚乙烯熒光氧1975Lubbers，Opitz芘丁二酸聚乙烯熒光氧氣敏光化學傳感器1974Hesse將光化學傳感器與光纖聯(lián)系起來1975Hardy光纖全內反射1980PetersonpH，血氣測量里程碑4-1基本概念4-1-1發(fā)展概況材料、器件的發(fā)展古代烽火臺光通信1951玻璃光纖損耗大1970年代100-1000dB/km$X00/m1970年后氣相沉積法0.2dB/k1980年$5-10/m窗玻璃數千dB/km1990年$0.1/m光學玻璃>500dB/km同軸電纜10dB/km光纖通信光學波導光源檢測器被檢測的信號常規(guī)的光譜信息二次諧波光致發(fā)光相分辨等離子體共振(SPR)檢測對象無機離子無機中性分子芳香烴脂肪烴醇胺有機酸藥物、酶……光化學傳感器，又稱光極，是建立在光譜化學和光學波導與量測技術基礎上的將分析對象的化學信息以吸收、反射、熒光或化學發(fā)光、散射、折射和偏振光等光學性質表達的傳感裝置。基于三氟乙酰苯衍生物的濕度傳感器4-1-2光譜學基礎

紫外與可見吸收紅外吸收 敏感膜與不同濃度鋰離子溶液平衡后的熒光光譜（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

熒光磷光

1930年代Kautsky，Hirsch吖啶黃/熒光素硅膠磷光氧

化學發(fā)光魯米諾+H2O2產物+hv拉曼頻移（與Stokes位移相對比）：定性分析及結構分析的基礎不同物質+同一頻率光：不同拉曼頻移同一物質+不同頻率光：相同拉曼頻移、不同拉曼光頻率拉曼與熒光的區(qū)別：熒光的hv改變，hv’不變拉曼的hv改變，hv’改變，但不變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術

4-1-3光學波導基礎 全內反射消失波 光學波導構型光學波導損耗光導纖維制造工藝簡介全內反射消失波光學波導構型光學波導損耗光導纖維制造工藝簡介激光器發(fā)光二極管燈光源光電二極管(PD)光電倍增管(PMT)4-1-4測量儀器光源和光檢測器光極探頭設計聚合物保護層pH傳感器pCO2傳感器pO2傳感器熱電偶1mm光導纖維壓力傳感器20號動脈導管復合光極血管分類標準光學波導光學信息復雜程度傳光型功能型吸收、反射、散射、折射、發(fā)光普通光學波導型化學修飾型生物修飾型4-1-5光化學傳感器的分類和特點光學波導在傳光型光化學傳感器中，光學波導器件只起傳輸光的作用，利用檢測對象本身或另外修飾上去的敏感層的光學性質來完成檢測。目前很多光化學傳感器是屬于傳光型的。例如測量電鍍液中銅離子濃度和環(huán)境中UO22+濃度，利用的是檢測對象本身的光學性質，光纖都只是用來傳輸光的。功能型傳感器又叫做傳感型傳感器，或本征傳感器，利用了光纖本身的性質。最初，功能型傳感器都是用于物理參數的測量。氫氣傳感器可能是最早用于化學參數測量的例子。這種傳感器利用了光纖壓力傳感器Mach-Zehnder干涉效應：光纖表面涂覆的鈀黑吸附氫氣后壓縮光纖，使傳輸光相位發(fā)生變化。基于消失波的傳感器也可以看作功能型的。例如，光導纖維的一段包層被剝去，代之以敏感試劑層。光學信息光學信息是多種多樣的。因此，光化學傳感器又可分為吸收、反射、散射、折射和發(fā)光等多種類型。其中基于發(fā)光現象的光化學傳感器是最為龐大的一支。它又可分為熒光、磷光、化學發(fā)光等不同類型。復雜程度--普通光學波導型普通光學波導傳感器是結構最為簡單的一種。它本身不具備化學識別功能，其傳感機理被動地依賴于分析對象本身固有的光學性質，因此也稱為被動光極。這種傳感器的選擇性受到制約，而且分析對象也受到限制。但是這種傳感器不存在光漂白和試劑被洗脫的問題，因此壽命長，穩(wěn)定性好。又因為不存在樣品與敏感層中試劑的作用，其響應時間短，能瞬間檢測到樣品性質的變化。這類傳感器在實際應用方面處于領先地位。如環(huán)境中鈾酰離子的測定、血液氧飽和度的體內測量等。由于普通光學波導傳感器本身不具備化學識別功能，因此常在光學波導器件的適當位置固定一層化學試劑（敏感層）以提高光化學傳感器對分析對象的識別能力。這類光化學傳感器通過修飾的試劑敏感層與分析對象之間的相互作用來產生可檢測的光學性質變化，不再依賴于分析對象本身的光學性質，因此又稱為主動光極。由于增加了有化學識別功能的敏感層，因此具有選擇性好、測量對象多等優(yōu)點，但隨之而來的是光漂白和試劑洗脫等問題。這類傳感器根據測量機理的不同，又分為簡單配合物體系、離子交換體系和共萃取體系等。復雜程度--化學修飾型事實上，并不是所有的物質都有相對應的合適的指示劑。為了解決這個問題，常在普通光學波導傳感器或化學修飾光化學傳感器上在修飾一層生物敏感層。生物敏感層與分析對象相互作用，產生能被普通光學波導傳感器所檢測的光學信號或能被化學修飾光化學傳感器所檢測的物質。這類基于生物識別的光化學傳感器具有更高的選擇性和靈敏度。酶、抗原、抗體是光化學傳感器中用得較多的生物物質。復雜程度--生物修飾型光化學傳感器的特點優(yōu)勢1幾何外形上的優(yōu)勢光學波導器件易于加工成小巧、輕便和空間適應性好的探頭。從原理上講，光導纖維及其探頭的直徑可以小到與其傳導的光波長屬同一數量級。目前，直徑100m的普通石英光纖可拉制成直徑0.1m以下的探針。這樣小巧的探針可直接插入那些非整直的空間和無法采樣的小空間（如活體組織、毛細血管、細胞等）中，對分析對象進行連續(xù)監(jiān)測。由這種探針制成的亞微米光導纖維化學傳感器已能對活體胚胎的pH進行連續(xù)監(jiān)測。另一方面，各種電光、光電器件的小型化和集成化，使得整個分析儀器變得小巧輕便。基于發(fā)光二極管、光電二極管及集成電路，可制成輕巧緊湊的光化學傳感裝置。優(yōu)勢2信號傳輸的特點光導纖維的傳輸損耗小，是目前除超導器件外傳輸損耗最小的傳輸線。目前光導纖維的損耗可降至0.2dB/km，已接近理論極限，而載頻通訊用同軸電纜的損耗也有10dB/km。這就為遙測分析提供了強有力的手段。另一方面，光導纖維的傳輸容量大，一根通訊光纖可容納幾億路電話，這對于構成傳感器陣列特別方便。這些都是其它傳感體系所不具備的優(yōu)勢。優(yōu)勢3環(huán)境適應性好光化學傳感器的抗腐蝕能力強并且抗電磁干擾，探頭可在高溫、低溫、腐蝕性、易燃、易爆、強電場及放射性等惡劣環(huán)境中使用。對電化學傳感器有較大影響的靜電、表面電勢、強磁場等均不干擾光學信號。而且由于探頭不帶電，特別適用于臨床檢測及生物化學的研究，避免了電刺激對測量環(huán)境的影響。優(yōu)勢4檢測方面的優(yōu)勢光化學傳感器所涉及的許多光學信號測量利用了自參比方式，因此不再需要外部的參比信號。這點對微型生物傳感器來說特別有利。對于微型生物電傳感器來說，兩個電解質之間的液－液接界電位往往是誤差的主要來源。優(yōu)勢5理論及實驗基礎雄厚光學方法在分析化學中有較長的歷史，一直占有重要地位。各種光度試劑，如吸光光度試劑、熒光試劑和化學發(fā)光試劑等都獲得了充分發(fā)展。通過適當的修飾方法用于光化學傳感器，能大大豐富現有傳感器的測試對象。尤其是許多電化學傳感器不能直接檢測的中性分子可用光化學傳感器直接檢測。另一方面，基于光纖的物理光學性質，發(fā)展了許多新技術。例如，利用光導纖維消失波制成的免疫傳感器，能在線地分析抗原和抗體，這是非放射免疫分析方法的一項重要突破。缺陷1環(huán)境光的干擾一般情況下，光化學傳感器的探頭部分應該避免環(huán)境光的影響，有時可以利用編碼方法消除背景干擾。目前利用電子部件很容易實現各種不同的編碼方式。缺陷2試劑相的改進固定化試劑相的光漂白和流失是影響光化學傳感器長期穩(wěn)定性的主要因素。許多指示劑在光照下會分解，引起顏色的減弱或熒光強度的下降。探測光強度越大，這種現象越明顯。另一方面，由于光化學傳感器的響應平衡與傳質平衡有關，因而敏感層都做得很薄以獲得較短的響應時間。這樣在使用過程中，試劑將逐漸從敏感層上被洗脫下來隨樣品離去。雖然許多光化學傳感器檢測的是相對信號，在短期內不影響使用，但使用壽命還是受很大影響。因此，合成新的穩(wěn)定性好的光度試劑，改進試劑相的固定化方法，對光化學傳感器的實用化有十分重要的意義。缺陷3檢測范圍較窄許多以強度為檢測信號的光化學傳感器，其響應服從質量作用定律，檢測范圍比離子選擇電極要窄。4-1-6傳感器特征選擇性

靈敏度、測量范圍和檢出限

①線性范圍

AB段對應的檢測離子的活度（或濃度）范圍