双频调相荧光光纤pO2/pH双参量生物医学传感器

在休克、呼吸衰竭、脑损伤等危重病人监护和重大麻醉手术中，需要频繁测定血液或组织的氧分压和pH值，来评价病人的氧供需平衡和酸碱平衡状态。本项目拟研制一种新颖的光纤双参量生物医学传感器。采用激发和发射光谱均重叠的长寿命氧指示剂和短寿命pH指示剂，制成选择透过性微粒，将两种敏感微粒均布于生物兼容基质中，固定于光纤前端。用两个不同频率的低频调制光激发传感膜，测量两频率下的总体荧光相移，经嵌入式信号调理装置实现氧分压和pH值的同时测定。该微小型、低成本传感器能对血液或组织进行连续、原位、在体、实时、微创、多参量监测，将为重大疾病的监测与诊疗提供重要工具。它的应用前景可以从生物医学临床推广到细胞培养、生物发酵、海洋生态、水质监控、食品卫生等领域。本项目的研究成果还将进一步推动多功能传感材料和多荧光分析技术的发展。

在医学临床诊断和生命科学研究中，迫切需要实时监测血液或组织的pO2和pH来评价病人的氧供需平衡和酸碱平衡状态。但目前研究的各种多参监测设备仍然存在着非实时、消耗被测物、空间分辨率差、仪器复杂等问题，使其实用性受到限制。为了解决上述问题，本项目以微创实时监测pO2和pH为研究目标，提出了一种不依赖于复杂仪器的微小型单光纤双参量荧光生物医学传感器，并从基于双频调相的双荧光信号分离方法与传感理论模型、双敏传感膜层的设计与制备、微小型荧光信号调理系统设计与实现、双传感器系统测试与分析等四个方面进行了认真细致的分析与研究。.在传感原理方面，建立了基于频域调相的单荧光传感模型，分析了调制频率对灵敏度的影响，给出了频域传感的最佳调制频率。建立了基于双频调相的双荧光传感模型，推导出了双参量响应的数学计算公式，得出了双参量的分离方法。.在敏感材料方面，制定了满足双频调相双荧光传感方法的双敏膜制备策略：分别制备两种选择透过性敏感微粒，将它们均匀分布于生物兼容基质中。通过合成试验、表征与分析，得到了一系列重要的工艺参数和技术参数，成功制备了性能优良的双敏膜。.在信号调理方面，提出了基于直接数字合成的双频调制光源驱动单元、基于数字正交锁定放大的双频相位解调单元。并将上述两子系统在DSP和STM32框架下进行了一体化集成设计，使得双传感器信号调理平台更智能化、小型化。.在系统测试方面，用所推导的模型公式对样机测试数据进行了数值计算，对pO2响应用单指数衰减方程进行了拟合，对pH响应用Boltzmann方程进行了拟合，得到了双参量传感器的标定曲线。标定后的传感器对多个样本溶液的测试结果表明，所研制的双传感器能同时测定0~21kPa范围内的pO2和4~10范围内的pH，两者之间没有交叉干扰。