生物傳感器在醫學領域中的應用

一、生物傳感器應用前景廣闊

生物傳感器是一個非?；钴S的研究和工程技術領域，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域。生物傳感器是發展生物技術必不可少的一種先進的檢測方法與監控方法，也是物質分子水平的快速、微量分析方法。它們的共同特征是：探索和揭示出生命系統中信息的產生、存儲、傳輸、加工、轉換和控制等基本規律，探討應用于人類經濟活動的基本方法。

21世紀將是生物經濟時代。而生物傳感器則作為生物技術支撐及關鍵設備之一，也必然會得到極大的發展，成為生物技術發展中出現的新產業鏈，它們將進一步與信息技術相結合，發展成為生物技術的數字工程。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必將是介于信息和生物技術之間的新增長點，在國民經濟中的臨床診斷、工業控制、食品和藥物分析（包括生物藥物研究開發）、環境保護以及生物技術、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別在于生物傳感器的信號檢測中含有敏感的生命物質。這些敏感

物質有酶、微生物、動植物組織、細胞器、抗原和抗體等。根據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換器與傳統的轉換器并沒有本質的區別。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換器。據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。也可根據所監測的物理量、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、生物傳感器在醫學領域中的應用

醫學領域的生物傳感器發揮著越來越大的作用。生物傳感技術不僅為基礎醫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，在軍事醫學方面，也具有廣闊的應用前景。 在臨床醫學中，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合的技術，在九十年代初由發瑪西亞公司引入，以抗原抗體結合分析為例，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）流過抗原抗體的結合將改變膜表面液體性狀，從而影響金箔共振性質，這一改變可被實時檢測并記錄下來（這被稱之結合相）。如改讓緩沖液流過，結合的抗體（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形式運行。它主要用于部份新藥研發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品配有小型流動注入系統、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、耗材廉價等優點，是一種創新性、實用化的現代科學儀器。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．腫瘤監測

英國紐卡斯爾大學科學家研發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。該系統利用一個回旋裝置來檢測，類似導航系統和氣袋的原理。振蕩晶片的大小類似于一顆塵埃尺寸，有望可使醫生診斷和監測常見類型的腫瘤，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做成一個手持式系統，更加快速方便地檢測組織樣品。歐共體已經撥款1200萬歐元資金給該小組，以使該技術進一步完善。

蘇格蘭Intermediary Technology Institutes計劃投資1億2千萬英鎊發展“生物傳感器平臺”（Biosensor Platform）。作為將診斷和治療疾病結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學臨床的費用與復雜性，同時具備提供疾病發展和藥品療效成果的能力。目前該技術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，即可根據結果決定適合的療程。這個技術更被醫學界視為未來疾病療程的主流。

3．血糖分析儀

美國Cygnus公司正在開發的手表式血糖監測儀是一種連續的自動血糖監測裝置。在對其校準之后，該裝置無疼痛地進行監測并顯示大量的血糖數據，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皮透滲貼片（自動傳感器）。該自動傳感器內置一個生物傳感器，安放在手表式血糖監測儀的背面，緊貼在皮膚上。收集到的血糖在自動傳感器內引發電化學反應，產生電子。

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量級，比目前醫用生化分析儀的精度也高2-3個百分點。這在血糖分析領域是非常重要的，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計的智能式輸注裝置?，F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的閉環式人工胰島的努力一直沒有停止，這種目標終究會實現。

四、生物傳感器發展現狀

由于生物傳感器可以取代常規的化學分析方法，因此，它的出現可以說是一場技術革命。為此，世界上一些科技發達的國家都把生物傳感器的研究作為生物技術產業化的關鍵技術，投入了相當大的人力、物力進行研制開發。目前，市場上出售的生物傳感器大多是第二代產品，它含有生物工程分子，能直接感知并測定出指定的物質。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合制成的生物硅片。這種有機與無機相結合的生物硅片比傳統硅片的集成度要高幾百萬倍，且在工作時不發熱或僅產生微熱。

我國生物傳感器的產業正處在發展階段，有較大經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品。生產單位不多，都屬于中小型企業，但是行業競爭激烈。與外資公司同類產品相比較，技術上差距不大。我國在固定化酶生物傳感器研發、生產和應用方面居國際領先水平，經過15年發展已有許多應用單位，對國民經濟影響大，產生了比較顯著的經濟效益。但是作為一類生物技術專用的檢測工具，其產業規模不大。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服務。