Fiber Optic Chemical Sensors and Biosensors, Volume 1 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:CRC Press

作者:Otto S. Wolfbeis

出品人:

页数:424

译者:

出版时间:1991-6-14

价格:USD 239.00

装帧:

isbn号码:9780849355080

丛书系列:

图书标签:

• Fiber Optics
• Chemical Sensors
• Biosensors
• Optical Sensors
• Analytical Chemistry
• Biotechnology
• Materials Science
• Sensor Technology
• Photonics
• Medical Diagnostics

光纤传感器与生物传感器领域前沿技术探索 一、 传感器技术的新范式：从传统到光纤的飞跃 在现代科学与工程领域，实现对物理、化学乃至生物环境的实时、高精度监测，是推动技术进步的关键前提。传统传感器技术，如电化学传感器、电阻式传感器等，在某些复杂环境下（如强电磁干扰、腐蚀性介质、或对体积和重量有严格要求的应用）面临着固有的局限性。 本书将视角聚焦于一类具有颠覆性潜力的新兴技术——基于光纤的化学与生物传感系统。我们旨在全面、深入地探讨光纤传感技术在解决传统传感器瓶颈方面的独特优势及其在各个关键领域的创新应用。 光纤传感技术的核心优势在于其本质安全、抗电磁干扰能力强、体积小巧轻便、可实现远程或分布式监测以及优异的抗腐蚀性。这些特性使其成为极端环境监测、生物医学体内诊断、以及工业过程控制的理想选择。 二、 光纤传感器的基本原理与构成要素的深度解析 光纤传感器并非单一设备，而是一个集成了光波导、传感元件（敏感层）、光源和光电探测器的集成系统。要理解其工作机制，必须从光的物理特性入手。 2.1 光纤作为传输介质的特性 光纤，作为核心的波导元件，其工作基础在于全内反射原理。本书将详细阐述不同类型光纤（如多模光纤、单模光纤、特种光纤如孔隙对齐光纤/PCF）的结构、损耗特性、模场分布以及色散对信号传输的影响。特别关注在传感应用中，如何利用光纤的模间串扰（Mode Coupling）和表面等离激元共振（SPR）效应来设计敏感结构。 2.2 信号调制与解调技术 光纤传感信号的获取主要依赖于光信号的强度、相位、频率或偏振态的变化。我们对以下关键调制解调技术进行系统梳理： 强度调制（Intensity Modulation）：最简单直接的方式，易于实现，但对光源稳定性和光纤损耗敏感。重点讨论如何通过包层改性或包层剥离技术构建基于吸收、折射率变化的强度传感器。 相位调制（Phase Modulation）：基于马赫-曾德尔（Mach-Zehnder）、法布里-珀罗（Fabry-Perot, FP）或萨尼亚克（Sagnac）干涉仪结构。深入分析温度、应变或折射率变化如何引起光程差的改变，进而导致相位偏移。FP腔体传感器的设计、腔长控制及高分辨率解调是本节的重点。 波长调制（Wavelength Modulation）：常用于分布式传感和基于光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）的传感网络。 2.3 光纤布拉格光栅（FBG）技术专题 FBG作为一种基于光纤内部周期性折射率变化的分布式传感器，是实现多点、复用测量的核心技术。本书将详述光栅的理论基础（耦合波理论）、写入技术（双波导法、紫外激光直写法）、以及如何利用FBG对温度、应变、折射率的敏感性设计各类传感器。同时，涵盖倾斜光栅（Tilted Fiber Grating, TFG）和长周期光栅（LPFG）在生物传感中的应用，它们对包层折射率变化的极高敏感度是其作为生物传感器的关键。 三、 敏感材料与界面工程：实现特异性识别 光纤本身仅提供信号传输路径，实现化学或生物识别功能依赖于在其表面或核心区域负载的敏感材料。本章将聚焦于如何将选择性转化为可测量的光学信号。 3.1 化学传感器的敏感层设计 对于离子、气体或特定化学分子的检测，敏感材料的选择至关重要。我们将讨论： 有机染料与功能性聚合物：如酞菁、卟啉衍生物等，它们对特定离子（如重金属离子、pH值）的响应机制（如淬灭、荧光增强或吸收光谱漂移）。 纳米材料的应用：如量子点（Quantum Dots, QDs）、碳纳米管（CNTs）和石墨烯氧化物（GO）。这些材料因其优异的光电性能和高比表面积，能够显著提高传感器的灵敏度和响应速度。 3.2 生物传感器的界面构建与生物素化 生物传感（Biosensing）要求传感器表面能够高特异性地捕获目标生物分子（如抗原、核酸、酶或细胞）。本章详述生物偶联技术： 共价键合：利用胺基、羧基等官能团将识别元件（如抗体、核酸探针）锚定到光纤表面。 物理吸附：适用于高分子或疏水性分子。 生物素-亲和素系统：在构建复杂多层传感界面时提供稳定且可逆的连接方案。 酶促反应检测：利用固定化酶在催化反应中产生pH变化或产物，进而被光纤传感器监测。 四、 关键应用领域的前沿案例分析 光纤化学与生物传感器已渗透到多个高价值应用领域，展示了其无可替代的优势。 4.1 环境监测与过程控制 在复杂工业流程中，对腐蚀性气体（如H₂S、NH₃）和水质参数（如溶解氧、氯离子）的实时监测是安全生产的保障。光纤传感器因其非接触性和耐腐蚀性，在石油化工、电厂监测中显示出卓越性能。特别是基于FBG的温度与应变监测，已成为结构健康监测（SHM）的标准配置。 4.2 生物医学与临床诊断 这是光纤生物传感器最具潜力的领域之一。 体内微创监测：光纤探针能够深入活体组织，实现对葡萄糖、氧分压、甚至特定肿瘤标志物的连续监测。探讨如何利用SPR或LSPR（局域表面等离子激元共振）技术进行高灵敏度的蛋白质或DNA检测。 细胞分析：利用光纤末端设计的微腔结构，可以实现对单个细胞的形态变化或代谢活动的实时追踪。 光动力疗法（PDT）的剂量控制：通过集成光纤温度和氧气传感器，实时反馈治疗区域的精确环境参数，以优化光敏剂的激活效率。 4.3 航空航天与极端环境传感 在超低温、高压或高辐射的太空环境中，电子设备易于失效。光纤传感器凭借其非导电特性和高耐受性，成为测量应力、振动以及极端温度的首选方案。 五、 未来展望与技术挑战 尽管光纤传感技术已取得显著进展，但要实现其大规模商业化和更高级的应用，仍需克服若干关键挑战。本书最后将讨论： 1. 传感器的微型化与集成化：如何将光源、调制器和解调器集成到微型芯片平台，实现“芯片上的光纤传感器”（Fiber-Optic Sensor-on-a-Chip）。 2. 多路复用与解耦：如何在大规模网络中，精确区分由温度、应变、折射率等多种环境因素引起的信号耦合效应，实现高精度的参数解耦。 3. 长期稳定性与再生性：对于生物传感器，如何确保生物分子在长时间工作状态下的活性和传感器的可重复使用性。 4. 数据处理与人工智能赋能：利用机器学习算法优化传感器响应模型的反演，提高复杂背景下的信号识别准确率。 本书旨在为光纤化学与生物传感领域的研发人员、工程师和学生提供一本兼具理论深度和工程实践指导价值的参考手册。

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