光纖生物傳感器結(jié)構(gòu)主要有光源、光纖、生物敏感元件及信號(hào)檢測系統(tǒng)等,其中的生物敏感元件是傳感器的關(guān)鍵部件,常用的生物敏感元件主要有抗原抗體、酶及核酸等。被測物與特定的生物敏感元件選擇性相作用(即抗原抗體或受體配體特異性結(jié)合;核酸分子堿基互補(bǔ)配對;酶對底物作用專一性等),產(chǎn)生的生物化學(xué)信息調(diào)制光纖中傳輸光的物理特性如光強(qiáng)、光振幅、相位等。因此這種傳感器有較強(qiáng)的選擇性和很高的靈敏度,而且在分析過程中可省去對測試物分離提純等繁瑣工作,但上述形成的復(fù)合物或產(chǎn)生物產(chǎn)生的光譜行為相似,單靠光纖本身無法區(qū)分,常需使用指示劑或標(biāo)記物,如:酶、熒光物質(zhì)、酸堿指示劑和斕系鰲合物等:同其它生物傳感器相比,光纖生物傳感器結(jié)合了光纖傳感的特點(diǎn),具體體現(xiàn)在:(l)由于光纖本身良好的絕緣屏蔽作用,其抗干擾能力強(qiáng),不受周圍電磁場的擾動(dòng)。(2)不需要參考電極,探頭可小型化,操作方便。(3)可實(shí)現(xiàn)遙測,并能進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線和動(dòng)態(tài)檢測。響應(yīng)速度快,靈敏度高。

   根據(jù)敏感元件不同,光纖生物傳感器可大致分為免疫傳感器、酶生物傳感器和核酸傳感器等,現(xiàn)分別作詳細(xì)介紹。
   1光纖免疫傳感器
   這是目前研究與應(yīng)用較多的光纖生物傳感器。光纖探頭多位于軸向近端面,須去除保護(hù)層和包層,裸露纖芯,再對纖芯進(jìn)行硅烷化處理,然后抗體藉助雙功能交叉聯(lián)結(jié)劑共價(jià)連接在硅烷化纖芯表面C抗體的固定方式是影響傳感器檢測靈敏度的重要因素。
   2光纖酶生物傳感器
   光纖酶生物傳感器用酶作分子識(shí)別器,與光纖結(jié)合起來,對測試物進(jìn)行分析,常用的酶有氧化還原酶(如乳酸脫氫酶、葡萄糖氧化酶等)和水解酶(如堿性磷酸酶、乙酞膽堿酶等)。根據(jù)換能器的能量轉(zhuǎn)換方式可分為化學(xué)發(fā)光型、熒光型、生物發(fā)光型、光吸收型、指示劑型等。

   光纖生物傳感器技術(shù)發(fā)展了近 30 年的時(shí)間，在國外，已經(jīng)被廣泛用于物質(zhì)測定，比如除草劑、尿蛋白中的刺激性藥物、與 VIII 因子相關(guān)的抗原、人體 IgG 和 IgM、牛血蛋白—包括牛血紅蛋白和牛血清蛋白、 人體細(xì)胞中的紅細(xì)胞和 T 淋巴細(xì)胞核粒細(xì)胞、血清 HIV 特異性抗體和血管內(nèi)皮生長因子等。在國內(nèi)，檢測諸如葡萄球菌腸毒素、胰島素、 甲胎蛋白和日本吸血蟲抗體等物質(zhì)也有采用光纖生物傳感器的方案。然而常用的光纖生物傳感器還是基于標(biāo)記方法， 免標(biāo)記光纖生物傳感器還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段     。
   目前得到廣泛研究的免標(biāo)記光纖生物傳感器按照工作原理不同可以分為： 光纖表面等離子體共振生物傳感器、光纖倏逝波生物傳感器和光纖光柵生物傳感器等。
   1 光纖表面等離子體共振生物傳感器
   光纖表面等離子體共振 (Surface plasmon resonance, SPR) 生物傳感器主要是基于光纖表面等離子體共振傳感原理， 通過探測光纖表面倏逝場區(qū)內(nèi)折射率的變化來分析被測生物分子的特性。當(dāng)倏逝場的區(qū)域內(nèi)生物分子發(fā)生識(shí)別反應(yīng)時(shí)， 金屬薄膜表面的折射率會(huì)隨之變化從而改變表面波的共振角度。 共振角度變化的幅值取決于倏逝場區(qū)的平均有效折射率， 通過檢測這一變量就能夠確定分析物在該區(qū)域的結(jié)合數(shù)量。由于該傳感器具有生物樣品無需標(biāo)記且可實(shí)時(shí)監(jiān)測反應(yīng)動(dòng)態(tài)過程的特點(diǎn)， 特別適于生物分子的檢測以及分子之間相互作用的研究     。
   2009 年，比利時(shí) Jeroen Pollet 等用環(huán)氧樹脂將長為 3 cm，直徑 400 m，數(shù)值孔徑 0.39 的多模光纖粘于注射器針頭處，在光纖端部 1 cm 區(qū)域涂覆 50 nm 的金膜實(shí)現(xiàn)光纖表面等離子共振。光纖端面可以看作金屬反射鏡，將光波反射回光譜儀。傳感器系統(tǒng)由光源、光譜儀、光纖耦合器和傳感頭構(gòu)成。
   生物傳感頭的制作方法如下： 首先利用一夜孵化的方式將單層自組裝羥基/羧基巰基混合聚乙二醇固定于金傳感頭表面，然后吸附鏈鎖狀球菌，利用 NaCl 和 NaOH 混合溶液沖洗傳感頭，將未固定的多余鏈球菌清洗干凈就制成了生物傳感頭。 利用這一傳感頭對生物素單層 DNA 進(jìn)行了探測，觀測到了 5.0±1.0 nm 的波長漂移。研究結(jié)果表明，該傳感器能夠檢測到的 DNA溶液的濃度范圍是 0.5~5 M，對免疫球蛋白 IgE的檢測精度能達(dá)到 2 nM。同時(shí)，利用這一傳感器還可以實(shí)時(shí)監(jiān)測 DNA 分子的雜交與分解運(yùn)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)中檢測到了 DNA 分子的分離常數(shù)為 30.9±2.9nM。
   2011 年，該課題組又制作了順磁性材質(zhì)修飾的納米光纖 SPR 生物傳感器，實(shí)現(xiàn)堅(jiān)果過敏源的精確快速檢測。 利用順磁性材料修飾的光纖 SPR傳感器對 Ara h1 探測的靈敏度為 0.09 g/mL，比普通的光纖 SPR 傳感器的靈敏度 9 g/mL 高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。該傳感器能夠在 1.0~2 g/mL 的范圍內(nèi)線性動(dòng)態(tài)測量，并且能夠重復(fù)使用 35 次而不降低傳感靈敏度。
   2012 年，加納的 Akowuah E K 等理論研究了光子晶體光纖 SPR 生物傳感器，利用 HE11和HE11模對生物膜檢測。HE11和 HE11模振幅檢測靈敏度能夠達(dá)到 4×10 5 RIU 1和 8×10 5 RIU 1，而波長檢測靈敏度達(dá)到 5×10 5 RIU 1和 6×10 5 RIU 1。2013 年，重慶理工大學(xué)的劉盛平等研制了一種用于心肌肌鈣蛋白 I (cTn I) 檢測的局域 SPR光纖傳感器。 在光纖局部腐蝕掉包層后利用納米銀膜形成 SPR，用葡萄球菌 A 蛋白作為鼠抗人 cTn I的連接體，實(shí)現(xiàn)對 cTn I 濃度的檢測。結(jié)果表明，當(dāng) cTn I 濃度在 20~120 ng/mL 范圍內(nèi)時(shí)，消光峰位移的對數(shù)與濃度呈線性關(guān)系， 線性系數(shù)為 0.9962，利用夾心法能實(shí)現(xiàn) 10 ng/mL 的檢測靈敏度。
   2 光纖倏逝波生物傳感器
   光纖倏逝波傳感器是基于倏逝波原理工作的，光纖中的倏逝波是光在纖芯與包層間進(jìn)行全內(nèi)反射式傳輸時(shí)產(chǎn)生的。當(dāng)光以一定角度入射時(shí)，在纖芯與包層的分界面上就會(huì)產(chǎn)生全反射， 部分光會(huì)垂直于分界面透射至包層中， 但透射波的幅值隨著透射深度的增加而呈指數(shù)衰減， 所以只能存在一段很小的距離，一般在波長量級(jí)，這種波就稱之為倏逝波。作為生物傳感器使用時(shí)，要將傳感段的光纖包層去除，當(dāng)分析物與識(shí)別分子發(fā)生生化反應(yīng)時(shí)，會(huì)被吸附于纖芯表面，從而影響倏逝波的透射深度，這時(shí)傳輸光能量就會(huì)發(fā)生變化，通過檢測傳輸光的特性就能得到被測生物分子的特征。按照光纖倏逝波生物傳感器的結(jié)構(gòu)， 可以將其分為 3 種：第 1 種是直型 (是光纖纖芯直徑)，直接剝?nèi)ス饫w的包層，在光纖纖芯固定識(shí)別分子， 實(shí)現(xiàn)對被測分子的檢測。這種結(jié)構(gòu)中傳輸段和傳感段之間由于結(jié)構(gòu)的突然變化會(huì)出現(xiàn)模式的不匹配，增加傳輸損耗，從而影響到測量的靈敏度。2010 年，印度 Sai V V R 等人利用 280 nm 的紫外光 LED 作為光源對生物分子進(jìn)行檢測。將 200 m 直徑的光纖 15~30 cm，中間 5 cm 利用機(jī)械方法剝?nèi)グ鼘樱�再�?0.3 m 的拋光紙拋磨端面。 傳感部分表面用鉻酸溶液浸泡產(chǎn)生羥基組團(tuán)，再用去離子水沖洗后置于 115 ℃烤箱中烘干 2 h，浸入 1%的酒精硅烷溶液將傳感區(qū)進(jìn)行硅烷化。 經(jīng)過化學(xué)處理的傳感頭在 0.1 mg/mL 的人IgG 抗體溶液中孵化 16 h，再用磷酸鹽緩釋液(phosphate buffered saline, PBS) 沖洗干凈就制成了生物傳感頭。 實(shí)驗(yàn)室中利用該傳感器對 50 g/mL的羊抗人 IgG 進(jìn)行探測， 吸光率能夠達(dá)到的值為 0.036。第 2 種是錐型， 這種結(jié)構(gòu)可以避免光纖探針結(jié)構(gòu)的突變，纖芯以錐形區(qū)過渡至傳輸段。這種結(jié)構(gòu)增加了傳感區(qū)的面積和倏逝波的透射深度，提高了靈敏度，是目前最常用的一類倏逝波傳感器。 2010 年， 伊朗 Mohammad IsmailZibaii 等人通過將單模光纖拉錐的方法測量溶液中大腸桿菌的增長速度。 錐形光纖是用熱拉的方式實(shí)現(xiàn)的，光纖的錐腰直徑是 6~7 m，錐形區(qū)長度為 3 mm。在光纖的錐區(qū)通過涂覆多聚賴氨酸(Poly-L-Lysine, PLL) 來吸附細(xì)菌。在適當(dāng)?shù)臈l件下當(dāng)細(xì)菌逐漸增長時(shí)， 錐區(qū)吸附膜層的折射率也在增加，從而影響了倏逝波的穿透率，測量靈敏度達(dá)到了 60 E. coli mm 2。第 3 種是 U 型。為了進(jìn)一步提高探測的靈敏度， 人們通過使傳感部分的纖芯發(fā)生彎曲的方法來提高倏逝波的透射深度。研究表明， 這種結(jié)構(gòu)比起直型傳感器的靈敏度有很大的提高，且隨著彎曲半徑的減小靈敏度迅速增加。但這種結(jié)構(gòu)體積比起前面幾種要大很多，而且制作相對困難，由于彎曲后內(nèi)外兩面受力不均，光纖也容易折斷。