[科普中国]-光纤化学传感器

简介

光化学传感器（optical chemical sensor）是一类具有光学响应的化学传感器。在化学分析中，基于分立光学系统的光学技术和光谱学方法已广泛应用。进入80年代以来，由于通信技术和计算机技术的飞速发展，其与光谱技术相结合形成一种新型分析测试技术——光导纤维化学传感器（fiber optical chemical sensor），在分析化学领域开辟了一片新天地。利用化学发光、生物发光以及光敏器件与光导纤维技术制作传感器，特别是光导纤维传感器及以光导纤维为基础的各种探针技术，具有响应速度快、灵敏度高、抗电磁干扰能力强、体积小，可应用于其他传感器无法工作的恶劣环境等特点，在过程分析中具有很大的应用潜力，得到了突飞猛进的发展。2

原理媒质层与被测物质相互作用前后，物理或化学性质的改变将引起传播光诸特性变化，利用其变化的光信号对化学物质进行定性或定量的一类传感器称之光化学传感器。光纤化学传感器借助于光导纤维进行光信号传递，在光纤末端载有固定试剂相，测试时，插入待测溶液或气体中，由光源入射的光束经由光纤送入固定有敏感试剂的调制区，被测物质与试剂相作用，引起光的强度、波长（颜色）、频率、相位、偏振态等光学特性发生变化，这些变化成为被调制的信号光，信号光再经光纤送入光探测器和信号处理装置，从而获得被测物质的信息。2

组成对于不同的分析目的，光纤化学传感器的仪器装置有所不同，但基本组成大致相同。一般由光源、耦合器、光纤、探测层、检测器几个部分组成。

理想光源所发出的探测光应当有足够的强度和稳定性，波长能连续变化，强度不随波长变化而变化；利用化学发光时可以省去光源。

耦合器的作用是将光源发出的光耦合到光纤中并收集光信号至检测器。耦合效应关系到光纤化学传感器装置的性能，因而应引起足够的重视。

检测器一般要满足以下要求：灵敏度高、响应速度快、稳定性好、干扰因素少，因为涉及微光检测，还要求放大倍数足够大。试剂的固定方法是实验成败的关键，因为探测层（固定相试剂）不仅要对待测物做出选择，还要将待测物的化学量转换成可测量的光信号，固定方法可分为机械法、粘附法、封入法、包埋法、化学键入法、吸附法、电化学固定法等。2

分类光纤化学传感器的分类有多种，即可按检测对象、传感器的结构和形状、反应机理、敏感膜形状、可逆性等来分类。

1．按传感器的结构

按光纤上固定敏感膜的位置可分为端部固定和中间固定，按光纤是否分叉又可分为单支式和分叉式。

分叉式光纤化学传感器，一叉为输入光，另一叉为输出光，试剂相在光纤端部。

端部置试剂相光纤化学传感器，只是入射与接收光纤均为同根。对于端部试剂相型光纤，光通过光纤导入试剂相，试剂相与样品发生反应（如光吸收或荧光、折光等）引起光的波长或强度等信号变化，被探测光纤接收，再转化成电信号进行检测。单根光纤是一种简单有效的检测方式，但是因为激发光与探测光从同一根光纤上通过，其频率需要被分辨，一般使用二色分束器或其他光学器件来调整。提高分辨率亦可用时间分辨技术或多种新颖的传感器结构来达到。

中间固定相光纤化学传感器，一般是依据消逝波原理，当光在光纤中传播时，电磁波大部分在光纤中传播，但有部分会在光纤周罔旱指数衰减形式传播，这称为波的消失，通常区域限制在100 nm以内。通常用这种方法检测光纤周围指示剂的存在或者裸露光纤表面折射指数的变化。如果选择适当的光指示剂，该方法可达极高的灵敏度。

2．按敏感膜形状

按敏感膜形状可分为多种类型。如薄膜型、微球膜型、圆柱膜型。

薄膜型光纤化学传感器是苯乙烯-丁二烯苯共聚物吸附溴百里酚蓝指示剂做成薄膜，将其固定在光纤探头上，整个光纤外径2 mm。当时pH变化时，其颜色由黄色酸型变成蓝色的碱型。

微球膜型光纤敏感探头，它是用1μm直径的聚苯乙烯球和酚红指示剂做成的光纤pH传感器，检测的pH范围在7.0～7.4，灵敏度为0.01 pH，这是由于微球加大了反射光的能量所致。

圆柱膜型光纤化学传感器，它是基于半透膜的竞争反应，用以测量葡萄糖分子，传感器的探头为直径3 mm，长3 mm的圆柱体，在圆柱体内有可固定葡萄糖和葡聚糖的伴刀豆球蛋白A。

3．按检测对象

光纤化学传感器按其检测对象可分为气体光纤传感器、液体光纤传感器和固体光纤传感器。

4．按可逆性

按光纤化学感器的可逆性可分为可逆巧不可逆的光纤化学传感器。

5．按反应机理

按检测原理可分为吸收光谱、荧光光谱、磷光光i普、折光、化学发光、全反射衰减或消逝波、麦面等离子共振、拉曼光谱等方法的光纤化学传感器。