第4章 光化学与生物传感器-1
合集下载
生物传感器的工作原理探究
生物传感器的工作原理探究生物传感器是一种通过生物体内特定生物分子与传感器上的生物识别元件发生特异性相互作用，以实现检测和分析生物样品中目标分子的装置。
它在医药、环境、食品安全等领域具有重要的应用价值。
本文将探讨生物传感器的工作原理，重点介绍典型的光学、电化学和生物识别元件的工作原理。
一、光学生物传感器的工作原理光学生物传感器是利用光学原理，通过生物反应介导的光学信号变化来检测样品中的目标分子。
其工作原理主要包括两个步骤：生物反应和光学信号变化。
1. 生物反应：光学生物传感器的关键是选择适合的生物识别元件，如酶、抗体、DNA等，使其与目标分子发生特异性识别与结合，触发一系列的生物反应。
例如，酶识别底物并催化底物转化为产物，抗体与抗原结合形成复合物，DNA发生特异性的亲和反应等。
2. 光学信号变化：生物反应导致信号变化的方式主要有荧光、吸收光谱以及表面等离子体共振等。
其中，荧光信号变化是光学生物传感器中常用的检测手段之一。
通过荧光荧光素或量子点等发光材料标记在生物分子上，当目标分子与生物识别元件结合后，荧光强度会发生可测量的变化。
吸收光谱则是通过测量反应物或产物在特定波长处的吸收强度变化来实现目标分子的检测。
二、电化学生物传感器的工作原理电化学生物传感器是利用电化学原理，通过测量电化学信号的变化来检测样品中的目标分子。
其工作原理主要包括两个步骤：生物反应和电化学信号变化。
1. 生物反应：电化学生物传感器常采用生物催化反应或生物亲和反应实现与目标分子的识别和结合。
以酶传感器为例，酶与底物发生特异性识别与结合，并催化底物的电化学反应产生电流或电势变化。
生物亲和传感器则是利用抗体或DNA等与其互补的分子结合，触发反应并导致电化学信号变化。
2. 电化学信号变化：电化学生物传感器通过测量反应产生的电流或电势变化来实现目标分子的检测。
常见的电化学探测技术包括安培法、伏安法和阻抗法等。
安培法是通过测量在电极上产生的电流来判断反应物或产物的浓度变化。
化学与生物传感器
生物感受器（biological receptor）
光导纤维免疫传感器
酶活性传感器
这类传感器是将相关酶的底物固定在光纤 上，在待测酶的作用下生成的产物可用光吸收 或进行测定。它主要用于人体内各种水解酶活 性的测定，如脂肪酶、磷酸酯酶、碳酸酯酶、 酰基转移酶和淀粉酶等，由于底物反应后非固 定化部分是酸或糖类，因而它在体内不会造成 对健康地损害。
光纤传感器的检测模式
紫外可见光吸收光谱 荧光光谱
化学发光
光反射－全内反射光谱
光散射
生物催化传感器
最简单的一种是用固定化酯酶或脂肪酶作成生物 催化层进行分子识别，再通过产物的光吸收对底 物浓度进行传感， 如测量在404nm波长下的吸收，即可确定对硝基 苯磷酸的含量，线性范围为0——400μmol/L， 生物体内许多酶类和脂肪类物质都可用这类传感 器进质在其表面都能吸附酶，例如，氧化铝、活性炭、 黏土、纤维素、高岭土、硅胶、玻璃和胶原蛋白。此技术 不需要试剂，但需要提纯步骤，并且对酶只有较小的破坏 作用。
一般有两种形式：物理吸附V.S. 化学吸附 这是最简单的方法，包含最少的准备过程，但是键联比较 弱。适于短期研究。
引言
光导纤维及其应用是20世纪70年代以来世 界科学技术领域最重要的发明之一，它与激光 器、光导体、光探测器一起，构成了光电子学 的新领域。光导纤维化学传感器和生物传感器 是80年代诞生的一种新的传感技术，是分析化 学近10多年来的一个重大发展。 光导纤维生物传感器又称光极 美国 fiber optical biosensor 欧洲大陆 optode 英国 optrode
光导纤维生物传感器的结构
光导纤维的波导作用及其构形
人们还发现，当光到达光导纤维纤 芯和包层界面时，并不能立刻产生全反 射，而是渗入光疏介质一定深度（图 19.3）。也就是说，光的电场强度在界 面处并没有立即减小为零，而是在外部 介质中以指数的形式减弱，且延伸到第 二介质中去，在第二介质形成一个“尾 巴”，这一现象叫消失波（evanescent wave）。
《化学与生物传感器》课件
什么是化学传感器和生物传感器？
化学传感器
化学传感器是一种能够检测和测量特定化学物质 的装置，用于监测和控制各种化学过程。
生物传感器
生物传感器是一种利用生物分子与目标物质相互 作用的装置，用于检测和测量生物体内的特定分 子。
化学传感器的工作原理
1
信号转换
化学传感器接收化学信号并将其转换为可测量的物理信号，如电信号或光信号。
传感器在工业过程监控和控制中发挥关键 作用，提高生产效率和产品质量。
化学与生物传感器的优势和挑战
优势
• 高灵敏度 • 选择性 • 便携性 • 快速响应
挑战
• 稳定性 • 实时监测 • 复杂样品处理 • 成本和可持续性
结语和总结
化学与生物传感器是现代科学领域的重要组成部分，它们在医疗、环境、食 品和工业等领域发挥着关键作用。通过深入研究和创新，我们可以进一步拓 展传感器技术的应用前景。
《化学与生物传感器》 PPT课件
在这个课件中，我们将一起探索化学传感器和生物传感器的世界。从工作原 理到应用领域，让我们一起揭开这个神奇领域的面纱。
我们的团队
专业背景
我们的团队由化学和生物学专家组成，拥有丰富的研究和实践经验。
创新思维
我们致力于挖掘新的传感器技术，不断推动领域的发展。
合作精神
我们与学术界和工业界密切合作，共同解决实际问题。
3
信号检测
检测设备接收并解读信号，确定目标 分子的存在和浓度。
化学与生物传感器的应用领域
1 医学诊断
2 环境监测
化学与生物传感器可用于早期疾病诊断和 治疗监测，提高医疗效率和准确性。
传感器可检测环境中的污染物和有害物质， 4 工业应用
传感器可检测食品中的有害物质和微生物， 确保食品的安全和质量。
生物传感器-讲义(学生完整版)
52 52 53 53 57 62 66 67
3
第一章 第一节
绪论
传感器的定义和组成
传感器的定义：能感受或响应规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。 传感器的典 型结构如图 1-1 所示。
图 1-1 传感器的典型结构
医用传感器（medical sensors）感知非电量的生物信息并将其转换成电学量的器件或装置。
第二节
传感器的作用
医用传感器作为拾取生命体征信息的“感官” ，延伸了医生的感觉器官，把定性的感觉扩展为定量的检测， 是医用仪器、设备的关键器件。常用的生物信号检测类仪器结构框图如图 1-2 所示。
图 1-2 检测类仪器结构框图
传感器将微弱的生物信号转化成微弱的电信号，再经过放大后进行 A/D 转换，将模拟信号转换成数字信号 输人计算机。在计算机中可以进行分析、计算以及各种处理，然后输出到显示器、打印机等输出设备。 一种新的传感器可以引领一类医用仪器设备的发展， 甚至带来根本性的变革。 由于精密光电传感器和电生化 传感器技术的发展，使原来必须到医院检测的血糖可以自己在家里完成， 从而导致微型快速血糖仪在糖尿病患者 家庭的普及和在医院的广泛应用。
医用传感器应具有以下特性：
（1） （2） （3） （4） （5） （6） 足够高的灵敏度。能够检测出微弱的生物信号。 尽可能高的信噪比。以便在干扰和噪声背景中提取有用的信息。 良好的精确性。以保证检测出的信息准确、可靠。 足够快的响应速度。能够跟随生物体信息量的变化。 良好的稳定性。保持长时间检测漂移很小，输出稳定。 较好的互换性，调试、维修方便。
1
医用传感器的主要用途有：
1．提供信息 如心音、血压、脉搏、体温、血流等，作为重要的生理参数供临床诊断和基础研究用。 2．监护 长时间连续检测某些生理参数，监视其是否超出正常范围，以便随时掌握患者的状况，出现异常 及时报警。 3．生化检验 利用传感器的分子识别能力，检测各种体液、溶液中的成分和含量。 4．自动控制 根据传感器提供的生理信息，调节执行机构做出反应，实现自动控制。例如：注射泵根据流 量传感器的信息调节推进量，实现单位时间注射量的自动控制。 5．参与治疗 医用电极经常既用于检测信号，又用于实施治疗。例如：按需型体内起搏器的电极既作为自 主心电的检测电极，又作为无自主心电时起搏器发放脉冲的刺激电极，此时所起的就是治疗作用。
环境分析化学 生物传感器 Biosensor
(3)根据生物传感器的信号转化器分类
电化学生物传感器、半导体生物传感器、测热型生物传感器、 测光型生物传感器、测声型生物传感器等。
传感器类型 敏感物质 信号传感器
酶传感器
(生物膜传感器)
微生物传感器
免疫传感器
酶
电化学测定装置
微生物
场效应晶体管
抗体或抗原 光纤 光敏二极管
细胞器传感器 细胞传感器
·用生物体成分(酶、抗原、抗体等)或生物体本身(微生物、 细胞器、动植物组织等)为敏感材料, 经过适当的方法固定 在惰性基质上构成分子识别元件，再和信号转换器件(传 导器)组成的传感器，它可以将生物信号转化为数量化的 电信号。
简言之: 生物传感器是将生物感应元件的专一性与一个能 够和待测物浓度成比例的信号传导器结合起来的一种小型 化分析装置。
３、生物传感器的分类
可以从三个角度进行分类：
生物亲和型Biosensor
(1)根据传感器输出信号的产生方式，分为 代谢型或催化型
(受体与基质的反应特性及受体来源)
仿生生物传感器
(2)根据生物传感器中分子识别元件上的敏感物质分类；
酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免 疫传感器等。
·２０世纪７０年代中期，人们研究酶电极的衍生物：微生 物电极、细胞器电极、动植物组织电极、以及免疫电极等 新型生物传感器，使生物传感器的种类大大增多。
·２０世纪８０年代生物传感器开始出现研究热潮。（固定 化技术的研究）
·２０世纪末本世纪初，生物、化学、生物技术、生物化学、 物理、机械工程、电子技术等各领域开始多学科结合用于 生物传感器的开发。
性分析。响应范围 10-1—10-7mol/L。
二、生物传感器的基本组成、原理及分类
化学传感器与生物传感器的应用范围和局限性
化学传感器与生物传感器的应用范围和局限性传感器是一种能够感知并转化环境信息的装置，广泛应用于各个领域中。
其中，化学传感器和生物传感器作为重要的传感器类型，在科学研究、医学诊断、环境监测等方面发挥着重要作用。
本文将探讨化学传感器和生物传感器的应用范围和局限性。
一、化学传感器的应用范围和局限性化学传感器是一种能够对化学物质进行检测和分析的传感器。
它通过感知化学物质与感受层之间发生的特定物理或化学变化，将这种变化转化为可观测的信号。
化学传感器的应用范围非常广泛，以下是一些典型的应用领域：1. 医学诊断：化学传感器可以应用于临床诊断，通过检测生物样本中的特定分子来确定疾病的存在和程度。
例如，血糖传感器可以用于糖尿病患者的血糖检测，pH传感器可用于监测体液的酸碱平衡。
2. 环境监测：化学传感器可用于监测环境中的有害物质浓度，帮助保护环境和人类健康。
例如，气体传感器可以检测空气中的有毒气体，水质传感器可监测水中的污染物浓度。
3. 食品安全：化学传感器可以用于食品安全监测，检测食品中的有害物质或残留物。
例如，重金属传感器可用于检测食品中的重金属含量，农药传感器可用于检测农产品中残留农药的情况。
4. 工业生产：化学传感器在工业生产中应用广泛。
例如，pH传感器用于监测酸碱度，温度传感器用于监测温度，浊度传感器用于监测液体浊度。
虽然化学传感器具有广泛的应用范围，但也存在一些局限性：1. 特异性：化学传感器对于特定化学物质的检测较为准确，但对于复杂环境或多种化学物质的检测可能产生干扰，导致结果不准确。
2. 灵敏度：化学传感器的灵敏度可能受到环境因素的影响，如温度、湿度等。
在一些需要高精度检测的场合，化学传感器的灵敏度可能不够满足要求。
3. 耐久性：化学传感器的使用寿命受到感受层的稳定性和降解速度的影响，需要定期更换或维护。
二、生物传感器的应用范围和局限性生物传感器是一种基于生物反应原理的传感器，利用生物分子与目标分子相互作用，通过转换成可测量的信号来检测目标分子的存在和浓度。
生物传感器
智能手机 轿车 F22战机
传感器的开发利用——生活更美好！
Thank you!
葡萄糖氧化酶膜
电化学元 件H2O2电 极
生 物
待分析物
敏
化学变化
感
膜
换
能 可定量分析 器 的电信号
4.3 食品安全检测
食品中微生物的检测
食品中病原性微生物 的存在会给消费者的健康 带来极大的危害，食品中 毒素不仅种类很多而且毒 性大，大多有致癌、致畸、 致突变作用，因此，加强 对食品中的病原性微生物 及毒素的检测至关重要。
农残检测
利用有机磷农药对乙酰胆碱酯 酶活性的抑制作用研制的酶传 感器，在农残的检测中广泛应 用。
5. 展望
随着生物科学、信息科学和材料科学发展成果的推动，生物传 感器技术飞速发展。未来的生物传感器将具有以下特点：
1、微型化、多功能化 2、智能化与集成化 3、低成本、高灵敏度、高稳定性和高寿命
生物活性材料 生物敏感膜 生物活性材料
酶 免疫
细菌、真菌、动 植物细胞
线粒体、叶绿体
DNA
寡聚核苷酸
组织
动植物组织切片
具有亲和能力的物质
配体、受体
模拟酶
高分子聚合物
1.2.2 换能器
又称为传感器, 是将各种生物的、化学的和物理的信息转变成电信号。
生物学反应信息 离子变化
分子印记 生物传感器
换能器 分类法
光 生物传感器
热 生物传感器
声波 生物传感器
阻抗/电导 生物传感器
电化学 生物传感器
半导体 生物传感器
悬臂梁 生物传感器
生物传感器的优点
作用范围广 灵敏度高
准确度高
可重复 使用
传感器的开发利用——生活更美好！
Thank you!
葡萄糖氧化酶膜
电化学元 件H2O2电 极
生 物
待分析物
敏
化学变化
感
膜
换
能 可定量分析 器 的电信号
4.3 食品安全检测
食品中微生物的检测
食品中病原性微生物 的存在会给消费者的健康 带来极大的危害，食品中 毒素不仅种类很多而且毒 性大，大多有致癌、致畸、 致突变作用，因此，加强 对食品中的病原性微生物 及毒素的检测至关重要。
农残检测
利用有机磷农药对乙酰胆碱酯 酶活性的抑制作用研制的酶传 感器，在农残的检测中广泛应 用。
5. 展望
随着生物科学、信息科学和材料科学发展成果的推动，生物传 感器技术飞速发展。未来的生物传感器将具有以下特点：
1、微型化、多功能化 2、智能化与集成化 3、低成本、高灵敏度、高稳定性和高寿命
生物活性材料 生物敏感膜 生物活性材料
酶 免疫
细菌、真菌、动 植物细胞
线粒体、叶绿体
DNA
寡聚核苷酸
组织
动植物组织切片
具有亲和能力的物质
配体、受体
模拟酶
高分子聚合物
1.2.2 换能器
又称为传感器, 是将各种生物的、化学的和物理的信息转变成电信号。
生物学反应信息 离子变化
分子印记 生物传感器
换能器 分类法
光 生物传感器
热 生物传感器
声波 生物传感器
阻抗/电导 生物传感器
电化学 生物传感器
半导体 生物传感器
悬臂梁 生物传感器
生物传感器的优点
作用范围广 灵敏度高
准确度高
可重复 使用
电致化学发光与生物传感.pptx
（1） 纳米材料辅助电致化学发光
TiO2, Au, 碳纳米管等，如在金电极表面沉积上纳米金胶颗粒以后，可 以明显增强鲁米诺的发光效率 。
（2） 纳米材料的直接电致化学发光
Si, Ge, CdSe, CdTe, CdSe/ZnSe, CdS等
5
半导体纳米材料的电致化学发光
电致化学发光的原理
氧化态与还原态 自由基离子之间 发生湮灭反应
第一部分 绪论 1.1 电致化学发光(ECL)
是电极产物之间或产物与体系中某组分进行化学反 应所产生的一种光辐射，是将电化学和化学发光结 合起来的一种分析技术。
1
电致化学发光分析的特点
(1)高灵敏度、高选择性、线性范围宽、抗干扰能力强。 (2)可同色谱和电泳技术联用，实现对复杂组分的灵敏、准确检测。 (3)可进行原位现场分析。 (4) 可对发光强度和电解电流同时测定。
R+e-→R-·
Re-→R+·
R+·+R-·→R*+R
R*
→ R+hν
电极产物同溶液 中氧化还原剂发 生电子转移反应
A+e-→A-·
Ae-→A+·
A+·+R→A*+O
A-
·+O→A*+R
6
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1.2 半导体纳米晶在生命分析中的应用
(1)生物大分子之间的荧光探针识别 (2) 荧光标记与细胞成像 (3)生物组织的荧光成像和活体观察 (4)基于荧光能量转移的QDs在生物大分子相互作
1、在电化学发光的研究中，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称为电 致化学发光（ECL）传感器。
TiO2, Au, 碳纳米管等，如在金电极表面沉积上纳米金胶颗粒以后，可 以明显增强鲁米诺的发光效率 。
（2） 纳米材料的直接电致化学发光
Si, Ge, CdSe, CdTe, CdSe/ZnSe, CdS等
5
半导体纳米材料的电致化学发光
电致化学发光的原理
氧化态与还原态 自由基离子之间 发生湮灭反应
第一部分 绪论 1.1 电致化学发光(ECL)
是电极产物之间或产物与体系中某组分进行化学反 应所产生的一种光辐射，是将电化学和化学发光结 合起来的一种分析技术。
1
电致化学发光分析的特点
(1)高灵敏度、高选择性、线性范围宽、抗干扰能力强。 (2)可同色谱和电泳技术联用，实现对复杂组分的灵敏、准确检测。 (3)可进行原位现场分析。 (4) 可对发光强度和电解电流同时测定。
R+e-→R-·
Re-→R+·
R+·+R-·→R*+R
R*
→ R+hν
电极产物同溶液 中氧化还原剂发 生电子转移反应
A+e-→A-·
Ae-→A+·
A+·+R→A*+O
A-
·+O→A*+R
6
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1.2 半导体纳米晶在生命分析中的应用
(1)生物大分子之间的荧光探针识别 (2) 荧光标记与细胞成像 (3)生物组织的荧光成像和活体观察 (4)基于荧光能量转移的QDs在生物大分子相互作
1、在电化学发光的研究中，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称为电 致化学发光（ECL）传感器。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
离子传感器 酶传感器 免疫传感器 基因传感器
定义
1991年，IUPAC将化学传感器定义如下：
1990年，O.S.Welfbeis的定义：
国标GB/T 7665-1987《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”
化学传感器
Chemical Sensors
电化学传感器 Electrochemical Sensors
4-3 信号转换方式 4-4 发展方向
4-1 基本概念
4-1-1 发展概况
历 史
1930年代 Kautsky，Hirsch 吖啶黄/荧光素 硅胶 1968 1975 Bergman Lubbers，Opitz 荧蒽 芘丁二酸 磷光 氧 聚乙烯 荧光 氧 聚乙烯 荧光 氧
气敏光化学传感器
1974
1975
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
4-1-4 测量仪器
•光源和光检测器
•激光器 •发光二极管
•灯光源
•光电二极管(PD)
•光电倍增管(PMT)
•光极探头设计
聚合物保护层
热电偶
光 导 纤 维
pH传感器 pCO2传感器 1mm pO2传感器
压力传感器 20号动脉导管
压力传感器 温度传感器 磁传感器
压 力 、 温 度 物理量传感器 触觉
光
光传感器
视觉 听觉
压力、声 音、磁
脑 信
心
处 理 中 生物体反应： 跨膜运输 酶反应 免疫反应 核酸杂交
化学∕生物传感器
嗅觉：各种 有味气体
息
气体传感器 气味传感器 味道传感器
味觉：有机物 无机物 （盐、 （香、甜、苦味） 酸味）
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--生物修饰型
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
800 850
pH7.0 Tris-HCl buffer pH9.0 Tris-HCl buffer 510-6 mol/L Li+ 510-5 mol/L Li+ 510-4 mol/L Li+ 510-3 mol/L Li+ 110-2 mol/L Li+ 510-2 mol/L Li+ 0.1 mol/L Li+ 0.5 mol/L Li+ 1.0 mol/L Li+ 0.1 mol/L NaOH
数千dB/km
1990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
检测对象
无机离子
常规的光谱信息 二次谐波 光致发光 相分辨
无机中性分子 芳香烃 脂肪烃 醇
等离子体共振(SPR)
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。
复合光极
血管
włókno wprowadzające
membrana optyczna
światłowody planarne na podłożu
siatka dyfrakcyjna
membrana optyczna
światłowód
podłoże laser detektor
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
目 录
4-1 基本概念
4-1-1 4-1-3 4-1-5 4-1-6 发展概况 4-1-2 光谱学基础 光学波导基础 4-1-4 测量仪器 光化学传感器的分类和特点 传感器特征 4-2-2 敏感层支持材料 4-2-4 电价固定法
4-2 敏感试剂固定化方法
4-2-1 概述 4-2-3 机械固定法 4-2-5 共价固定法
4-1-5 光化学传感器的分类和特点
分类标准
光学波导 传光型 功能型
光学信息
吸收、反射、 散射、折射、发光
复杂Байду номын сангаас度
普通光学波导型
化学修饰型 生物修饰型
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。
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。
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。
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。
光化学传感器（光极） Optical Chemical sensors Optrode Optode
pH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，1995 • Joseph R. Lakowicz, Topics in Fluorescence Spectroscopy. Volume 4, Probe Design and Chemical Sensing, New York Kluwer Academic Publishers, New York, 2002 • Otto S. Wolfbeis, Fiber-Optic Chemical Sensors and Biosensors, Analytical Chemistry, 2004, 76(12), 3269 - 3284; (Review)
Hesse
Hardy
将光化学传感器与光纤联系起来
光纤全内反射
1980
Peterson
pH，血气测量
里程碑
材料、器件的发展
古代 1951 1970年代 1970年后 气相沉积法 烽火台 玻璃光纤 光通信 损耗大 100-1000dB/km $X00/m 0.2dB/k 1980年 $5-10/m
窗玻璃
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
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。
4-1-2 光谱学基础
紫外与可见吸收
R H2O
R
F3C
O
HO
OH CF3