光波导生物化学传感器研究进展

光波导具有结构简单,体积小,耐腐蚀,电绝缘性好,便于集成等特点。光波导对折射率、吸收以及放光过程（例如:化学发光或荧光）的变化敏感。这些变化对波导中传输的光起到了调制作用,可利用光波导的这些特性制成各类传感器。其中光波导生物化学传感器是将光波导技术与化学、生物工程技术相结合,它必将会在生物化学领域中发挥重要作用。本文综述了已经研制出的几种类型的光波导生物传感器,并对其特性进行了比较。 ### 光波导生物化学传感器研究进展 #### 引言 随着科学技术的发展，对生物体内微观环境中的生化活性物质及药物分布与代谢过程进行精确监测的需求日益增长。自20世纪80年代以来，光学传感技术在生物医学领域的应用取得了显著进展。Peterson等人于1980年代初期开发的光纤化学传感器(FOCS)为生物化学传感技术奠定了基础。此后，随着光学技术的不断进步，包括光反射技术、表面等离子体共振(SPR)技术、隐失波技术和集成光学技术等被广泛应用。 #### 光波导及其特点 光波导是一种利用光的全反射原理引导光线传播的装置，具有结构紧凑、耐腐蚀、易于集成等优点。光波导能够敏感地检测到周围介质折射率的变化、吸收效应以及化学发光或荧光等光发射过程的变化。这些变化会对波导中传播的光产生调制作用，从而为实现传感器提供了可能。 #### 光波导生物化学传感器原理 光波导生物化学传感器是通过结合光波导技术和化学、生物工程技术，将特制的生物敏感膜固定在光波导表面，利用生物敏感膜的特异性来检测生物分子间反应的一种新型传感器。当生物分子吸附在波导表面时，会引起波导附近介质折射率的变化，进而影响波导中光的传播特性。这种变化可以通过测量透射光强度、相位或偏振状态等方式来间接反映出来。 #### 主要类型与特性比较 1. **平面光波导传感器**：这类传感器通常使用一层高折射率的材料作为波导层，如SiO2-TiO2薄膜。通过检测相对湿度、表面折射率变化等参数来实现传感功能。它们对生物分子的吸附极其敏感，适用于实时监测生物反应。 2. **表面等离子体共振(SPR)传感器**：SPR技术利用金属表面的等离子体激元与入射光之间发生共振的原理。当生物分子附着在金属表面时，会改变金属表面附近的介电常数，从而导致共振条件发生变化。SPR传感器具有高灵敏度和快速响应的特点，在生物分析中有广泛的应用。 3. **隐失波传感器**：隐失波是指在波导结构中沿垂直方向衰减的电磁波。通过测量隐失波的强度变化来检测生物分子的吸附情况。隐失波传感器的优点在于其可以实现非接触式测量，并且对表面微小变化极为敏感。 4. **共振映射传感器**：这类传感器通过测量反射光或透射光的变化来实现传感功能。当生物分子吸附在波导表面时，会引起波导层厚度或折射率的变化，从而影响共振条件。共振映射传感器通常具有较高的分辨率和稳定性。 #### 应用前景 光波导生物化学传感器在医疗诊断、环境监测、食品安全等领域展现出巨大的潜力。例如，它们可以用于快速准确地检测血液样本中的病原体、环境水样中的污染物、食品中的有害物质等。此外，随着纳米技术的发展，未来还可能出现更小型化、集成化的光波导生物化学传感器，进一步拓展其应用场景。 光波导生物化学传感器凭借其独特的性能优势，在生物医学领域展现出广阔的应用前景。随着相关技术的不断进步和完善，预计这类传感器将在未来的科学研究和实际应用中扮演更加重要的角色。