生物傳感器在醫(yī)學領(lǐng)域中的應用

一、生物傳感器應用前景廣闊

生物傳感器是一個非?；钴S的研究和工程技術(shù)領(lǐng)域，它與生物信息學、生物芯片、生物控制論、仿生學、生物計算機等學科一起，處在生命科學和信息科學的交叉區(qū)域。生物傳感器是發(fā)展生物技術(shù)必不可少的一種先進的檢測方法與監(jiān)控方法，也是物質(zhì)分子水平的快速、微量分析方法。它們的共同特征是：探索和揭示出生命系統(tǒng)中信息的產(chǎn)生、存儲、傳輸、加工、轉(zhuǎn)換和控制等基本規(guī)律，探討應用于人類經(jīng)濟活動的基本方法。

21世紀將是生物經(jīng)濟時代。而生物傳感器則作為生物技術(shù)支撐及關(guān)鍵設(shè)備之一，也必然會得到極大的發(fā)展，成為生物技術(shù)發(fā)展中出現(xiàn)的新產(chǎn)業(yè)鏈，它們將進一步與信息技術(shù)相結(jié)合，發(fā)展成為生物技術(shù)的數(shù)字工程。有人把21世紀稱為生命科學的世紀，也有人把21世紀稱為信息科學的世紀。在21世紀生物傳感器技術(shù)必將是介于信息和生物技術(shù)之間的新增長點，在國民經(jīng)濟中的臨床診斷、工業(yè)控制、食品和藥物分析（包括生物藥物研究開發(fā)）、環(huán)境保護以及生物技術(shù)、生物芯片等研究中有著廣泛的應用前景。

二、生物傳感器的種類

生物傳感器與其它傳感器的最大區(qū)別在于生物傳感器的信號檢測中含有敏感的生命物質(zhì)。這些敏感

物質(zhì)有酶、微生物、動植物組織、細胞器、抗原和抗體等。根據(jù)生物傳感器中分子識別元件即敏感元件可分為五類：酶傳感器（enzymesensor），微生物傳感器（microbial sensor），細胞傳感器（organall sensor），組織傳感器（tis-sue sensor）和免疫傳感器（immunol sensor）。生物傳感器中的信號轉(zhuǎn)換器與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器并沒有本質(zhì)的區(qū)別。例如：可以利用電化學電極、場效應晶體管、熱敏電阻、光電器件、聲學裝置等作為生物傳感器中的信號轉(zhuǎn)換器。據(jù)此又將傳感器分為生物電極（bioelectrode）傳感器，半導體生物傳感器（semiconduct biosensor），光生物傳感器（optical biosensor），熱生物傳感器（calorimetric biosensor），壓電晶體生物傳感器（piezoelectric biosensor）等，換能器依次為電化學電極、半導體、光電轉(zhuǎn)換器、熱敏電阻、壓電晶體等。生物傳感器按照傳感器器件檢測的原理分類，可分為熱敏生物傳感器、場效應管生物傳感器、壓電生物傳感器、光學生物傳感器、聲波道生物傳感器、酶電極生物傳感器、介體生物傳感器等。生物傳感器按照生物敏感物質(zhì)相互作用的類型分類，可分為親和型和代謝型兩種。也可根據(jù)所監(jiān)測的物理量、化學量或生物量而命名為熱傳感器、光傳感器、胰島素傳感器等。

三、生物傳感器在醫(yī)學領(lǐng)域中的應用

醫(yī)學領(lǐng)域的生物傳感器發(fā)揮著越來越大的作用。生物傳感技術(shù)不僅為基礎(chǔ)醫(yī)學研究及臨床診斷提供了一種快速簡便的新型方法，而且因為其專一、靈敏、響應快等特點，在軍事醫(yī)學方面，也具有廣闊的應用前景。 在臨床醫(yī)學中，酶電極是最早研制且應用最多的一種傳感器。利用具有不同生物特性的微生物代替酶，可制成微生物傳感器。在軍事醫(yī)學中，對生物毒素的及時快速檢測是防御生物武器的有效措施。生物傳感器已應用于監(jiān)測多種細菌、病毒及其毒素。

1．藥物分析

藥物分析用生物傳感器其典型代表產(chǎn)品是SPR生物傳感器，這是一種表面膜共振分析，是實時測定生物分子結(jié)合的技術(shù)，在九十年代初由發(fā)瑪西亞公司引入，以抗原抗體結(jié)合分析為例，將抗原（或抗體）通過表面化學方法固定在芯片的金箔表面，然后讓抗體（或抗原）流過抗原抗體的結(jié)合將改變膜表面液體性狀，從而影響金箔共振性質(zhì)，這一改變可被實時檢測并記錄下來（這被稱之結(jié)合相）。如改讓緩沖液流過，結(jié)合的抗體（或抗原）將解離并被帶走，這同樣改變膜表面液體性狀，檢測并記錄下來的金箔共振性質(zhì)改變就是解離相。

SPR生物傳感器是一種昂貴的生物傳感器分析儀，國內(nèi)只有少許有條件的實驗室從國外購進，并以對外收費的服務(wù)形式運行。它主要用于部份新藥研發(fā)中藥物作用的分子活性基團的識別。清華大學和中國科學院電子研究所均自行研制了SPR生物傳感器。其中中國科學院電子研究所的產(chǎn)品配有小型流動注入系統(tǒng)、溫控測試池及可批量制備的SPR生物傳感芯片。具有體積小、測定范圍寬、精度高、靈敏度高、功能完整、操作方便、可靠、耗材廉價等優(yōu)點，是一種創(chuàng)新性、實用化的現(xiàn)代科學儀器。目前，這種光、機、電一體化、智能化和實用化的SPR生化分析儀已提供幾家科研單位使用。

2．腫瘤監(jiān)測

英國紐卡斯爾大學科學家研發(fā)了可用于檢測腫瘤蛋白以及耐藥性MASA細菌的微型生物傳感器。該系統(tǒng)利用一個回旋裝置來檢測，類似導航系統(tǒng)和氣袋的原理。振蕩晶片的大小類似于一顆塵埃尺寸，有望可使醫(yī)生診斷和監(jiān)測常見類型的腫瘤，獲得最佳治療方案。該裝置可以鑒定腫瘤標志物－蛋白以及其它腫瘤細胞產(chǎn)生的豐度不同的生物分子。該小組下一步目標是把檢測系統(tǒng)做成一個手持式系統(tǒng)，更加快速方便地檢測組織樣品。歐共體已經(jīng)撥款1200萬歐元資金給該小組，以使該技術(shù)進一步完善。

蘇格蘭Intermediary Technology Institutes計劃投資1億2千萬英鎊發(fā)展“生物傳感器平臺”（Biosensor Platform）。作為將診斷和治療疾病結(jié)合在一起的新興療法，能夠在診斷的同時，提出適合不同病人的治療方案，可以降低疾病診斷和醫(yī)學臨床的費用與復雜性，同時具備提供疾病發(fā)展和藥品療效成果的能力。目前該技術(shù)已被使用在某些乳癌的治療上，只需在事前做些特殊的測試，即可根據(jù)結(jié)果決定適合的療程。這個技術(shù)更被醫(yī)學界視為未來疾病療程的主流。

3．血糖分析儀

美國Cygnus公司正在開發(fā)的手表式血糖監(jiān)測儀是一種連續(xù)的自動血糖監(jiān)測裝置。在對其校準之后，該裝置無疼痛地進行監(jiān)測并顯示大量的血糖數(shù)據(jù)，可幫助糖尿病患者更好地控制其忽高忽低的血糖值。該裝置像一塊戴在腕部的手表，使用低電流無痛地將血糖抽取到自耗式經(jīng)皮透滲貼片（自動傳感器）。該自動傳感器內(nèi)置一個生物傳感器，安放在手表式血糖監(jiān)測儀的背面，緊貼在皮膚上。收集到的血糖在自動傳感器內(nèi)引發(fā)電化學反應，產(chǎn)生電子。

高精度血糖分析儀是采用固定化酶的生物傳感分析儀。其分析精度可以達到0.5-2%，比家用保健類生物傳感器幾乎高一個數(shù)量級，比目前醫(yī)用生化分析儀的精度也高2-3個百分點。這在血糖分析領(lǐng)域是非常重要的，它們可以用作血糖分析的標準方法。

4.胰島素泵

胰島素泵又稱為持續(xù)胰島素輸注泵，是為模擬自身胰島素的生理性分泌，使血糖獲得理想的控制而設(shè)計的智能式輸注裝置。現(xiàn)有皮下型和植入型。目前這類廣泛應用的胰島素泵還是開環(huán)式的，從嚴格的意義來說，它只是一種智能式的注射裝置，但是它離不開血糖的分析，況且，30多年來研制與血糖分析器偶聯(lián)的閉環(huán)式人工胰島的努力一直沒有停止，這種目標終究會實現(xiàn)。

四、生物傳感器發(fā)展現(xiàn)狀

由于生物傳感器可以取代常規(guī)的化學分析方法，因此，它的出現(xiàn)可以說是一場技術(shù)革命。為此，世界上一些科技發(fā)達的國家都把生物傳感器的研究作為生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)，投入了相當大的人力、物力進行研制開發(fā)。目前，市場上出售的生物傳感器大多是第二代產(chǎn)品，它含有生物工程分子，能直接感知并測定出指定的物質(zhì)。第三代或第四代的生物傳感器的典型代表是把硅片與生命材料相結(jié)合制成的生物硅片。這種有機與無機相結(jié)合的生物硅片比傳統(tǒng)硅片的集成度要高幾百萬倍，且在工作時不發(fā)熱或僅產(chǎn)生微熱。

我國生物傳感器的產(chǎn)業(yè)正處在發(fā)展階段，有較大經(jīng)濟潛力的項目主要是手掌型血糖分析儀及胰島素泵二類產(chǎn)品。生產(chǎn)單位不多，都屬于中小型企業(yè)，但是行業(yè)競爭激烈。與外資公司同類產(chǎn)品相比較，技術(shù)上差距不大。我國在固定化酶生物傳感器研發(fā)、生產(chǎn)和應用方面居國際領(lǐng)先水平，經(jīng)過15年發(fā)展已有許多應用單位，對國民經(jīng)濟影響大，產(chǎn)生了比較顯著的經(jīng)濟效益。但是作為一類生物技術(shù)專用的檢測工具，其產(chǎn)業(yè)規(guī)模不大。固定化酶生物傳感分析儀的應用，離不開配套試劑盒供應和持久的技術(shù)服務(wù)。