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光电化学生物传感器研究任伟;李静【摘要】光电化学法是在光照射下,将化学能转换为电能的低成本方法.而光电化学生物传感技术由于具有通过生物分子氧化产生的光电流来检测生物分子的能力而引起了广泛的关注.光电化学生物传感器具有低成本、高灵敏度、高特异性、仪器操作简单以及检测背景信号低等特点,在免疫检测和生物技术等重要领域具有广泛应用前景.近年来,对于光电化学生物传感器性能和检测方法的研究也取得了颇丰的成果.本文主要介绍光电化学生物传感器的概念及基本原理、分类应用及对其未来的展望.【期刊名称】《发光学报》【年(卷),期】2019(040)001【总页数】9页(P58-66)【关键词】光电化学;生物传感器;免疫检测【作者】任伟;李静【作者单位】吉林建筑大学,吉林长春 130118;吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点实验室,吉林长春 130012【正文语种】中文【中图分类】O657.11 引言随着社会的迅速发展，人类的健康问题也越来越受到关注。
2018年6月6日世界卫生组织(WHO)发布了《2018世界卫生统计报告》(World Health Statistic 2018)，其中，在由于非传染性疾病导致死亡的案例中，恶性肿瘤以27%的比例成为最主要致死的病因。
近年来，恶性肿瘤俨然已经成为威胁全民健康的头号杀手。
然而，癌症并不等于死亡，治疗癌症的关键就在于发现早期肿瘤，主要途径有两个：一是通过早期肿瘤标志物的异常检测；二是找到合适的快速准确检测方法[1-4]。
与此同时，光电化学生物传感器迅速兴起，并因其独特的优点成为一种备受瞩目的新型生物传感器[5-7]。
光电化学生物传感器的出现，更能够实现将不能直接观察的早期肿瘤标志物的异常变化通过可见信号展现在计算机上，从而实现有效监测甚至诊断早期癌症的可能[8]。
1962年，英国科学家Clark等[9]提出将生物分子和传感器结合的设想，为生命科学研究开辟了新的道路。
化学传感器技术在现代科技发展的浪潮下，化学传感器技术作为一项重要的研究领域，在各行各业得到了广泛应用。
化学传感器技术以其灵敏度高、响应速度快、操作简便等特点，为我们解决许多实际问题提供了有效的手段。
本文将介绍化学传感器技术的原理、分类以及其应用领域。
一、化学传感器技术的原理化学传感器技术是利用感光材料对目标物质的选择性敏感性实现对目标物质的检测和测量。
它主要依靠感光材料与目标物质发生化学反应或物理变化，并利用这些变化导致的光学、电学、热学等信号来实现目标物质的检测和测量。
化学传感器技术的实现离不开传感层和转换器两个组成部分。
传感层是化学传感器技术的核心部分，其材料特性决定了化学传感器的灵敏度和选择性。
常见的传感层材料包括阻抗传感层、荧光传感层、电化学传感层等。
这些传感层材料对于目标物质有一定的选择性，能够与目标物质发生特定的相互作用。
转换器是化学传感器技术的关键部分，能够将感光材料与目标物质发生的相互作用转化为可测量的信号。
常见的转换器包括光电转换器、电化学转换器、热学转换器等。
这些转换器能够将感光材料与目标物质的反应转化为光学信号、电学信号或热学信号，进而实现目标物质的检测和测量。
二、化学传感器技术的分类根据检测原理的不同，化学传感器技术可以分为光学传感器、电化学传感器、电导传感器等多种类型。
以下将对这三种类型进行简要介绍。
1. 光学传感器光学传感器是利用感光材料的吸收、荧光、散射等光学特性来实现目标物质的检测和测量。
常见的光学传感器包括吸收光谱传感器、荧光光谱传感器等。
吸收光谱传感器通过测量被测物质在特定波长的光线的吸收程度来判断其浓度；荧光光谱传感器则通过测量被测物质发出的荧光强度来判断其浓度。
2. 电化学传感器电化学传感器是利用感光材料与目标物质的电化学反应来实现目标物质的检测和测量。
常见的电化学传感器包括离子选择性电极、氧气传感器等。
离子选择性电极通过感光材料与目标物质之间的离子交换反应来实现目标物质的测量；氧气传感器则通过感光材料与氧气之间的氧化还原反应来实现氧气的测量。
化学传感器原理及其应用化学传感器是一种可检测化学物质浓度的装置，根据检测原理的不同，化学传感器可分为电化学传感器、光化学传感器、晶体传感器、荧光传感器等几类。
这些传感器都有一个共同的特点：具有高选择性、高灵敏度和高响应速度。
随着科技的不断进步，化学传感器已经广泛应用于环境监测、生物医学、食品安全、工业生产等领域，成为科技进步的重要组成部分。
一、化学传感器的基本原理化学传感器的基本原理是通过化学反应将目标物转化为一种可测量的信号，然后通过一种特定的传感器对其进行感应，进而得到目标物浓度的信息。
电化学传感器通过电信号检测化学反应的电化学变化，光化学传感器通过光信号检测化学反应的光学变化，晶体传感器则利用晶体的晶格结构的变化来感受目标物，荧光传感器则通过荧光信号检测化学反应的荧光变化。
无论哪种化学传感器，都需要通过高度特异的化学反应，将目标物转化为特定的信号，然后将信号与目标物浓度建立定量关系，实现测量。
二、化学传感器的应用1.环境监测化学传感器在环境监测方面具有重要应用价值，如大气污染、水质污染等检测，因其快速、准确的检测性能，极大地提高了环境监测的效率和精度。
例如，电化学传感器可以检测大气中的氧气、二氧化碳等气体，光化学传感器可以检测水中有毒物质的浓度，荧光传感器可以检测生物标记物或污染物等物质。
2.生物医学生物医学方面是化学传感器应用的热点之一，如血糖检测，氧合度检测，免疫组织学等。
电化学传感器可用于血糖检测、药物检测等，荧光传感器可用于生物标记物的检测。
3.食品安全食品安全是社会关注的问题。
化学传感器的出现大大提高了食品安全检测的效率和准确度，如检测废油、农药残留、食品中的重金属等。
电化学传感器可以检测食品中的硅酸盐、酚等化学成分，晶体传感器可以检测食品质量的变化等。
4.工业应用化学传感器在工业应用中也具有重要的地位。
如：测量pH值、浓度、流速等，以及在电镀、化肥等行业中的应用。
电化学传感器可用于检测化工生产中的磷酸、盐酸等化学物质。
光化学传感器的设计和应用研究近年来，随着科学技术的不断进步，光化学传感器成为了科学家研究的热点问题。
光化学传感器以其高灵敏度、快速响应和高精度等特点，在环境保护、生物医学、食品安全等领域有着广泛应用。
一、光化学传感器的原理光化学传感器是一种基于光化学反应的传感器。
其测量原理是基于分子之间的化学反应，当检测物质进入传感器中时，它与传感器内的某种物质发生化学反应，从而引起传感器光学信号的变化。
通过测量这种光学信号的变化，就可以得到检测物质浓度的信息。
二、光化学传感器的设计对于光化学传感器的设计来说，最主要的是选择合适的光化学材料。
这些材料可以是染料、荧光物质或者是金属离子等。
其次是光学检测系统的设计，在光学检测系统中包括光源、光学纤维和探测器等。
目前，随着纳米技术和微流控技术的不断发展，光化学传感器的设计也在不断地改善和完善。
采用微流控技术可以使传感器具备更高的检测精度和更快的响应速度，同时还可以使传感器更加紧凑和高效。
三、光化学传感器的应用光化学传感器在环境监测、生物医学、食品安全等领域有着广泛的应用。
1. 环境监测环境污染已成为人们面临的重要问题之一，光化学传感器可以检测环境中存在的各种污染物质，如氧化氮、二氧化碳、甲醛等，从而不断完善环境监测体系。
2. 生物医学在医学领域，光化学传感器可实现快速检测体内各种成分。
比如可以检测糖尿病患者血液中的葡萄糖含量，或者检测人体内肿瘤标志物等，从而实现对疾病的早期诊断和治疗。
3. 食品安全光化学传感器可检测食品杂质和毒素。
比如可以检测食品中的硫磺、重金属、转基因等有害物质，在保障食品安全方面发挥了积极作用。
四、展望近年来，光化学传感器不断发展，为实现生产和生活的可持续发展做出了积极的贡献。
但是在实际应用中还存在一些问题，如传感器的稳定性不够高、测量范围较小等，这些问题需要我们进一步进行研究和完善。
总之，光化学传感器是一种十分重要的传感技术，具有广泛的应用前景。
