[转帖]生物传感器的研究进展

生物传感器的研究进展
邢克礼

邢克礼女士，硕士生导师，天津医科大学生物医学工程系教授。

关键词：生物传感器　SPR生物传感器　纳米生物传感器　生物芯片　仿生传感器

　　生物传感器是一个非常活跃的研究和工程技术领域，它与生物信息学、生物芯片、生物控制论、仿生学、生物计算机等学科一起，处在生命科学和信息科学的交叉区域。它们的共同特征是：探索和揭示出生命系统中信息的产生、存储、传输、加工、转换和控制等基本规律，探讨应用于人类经济活动的基本方法。

一  生物传感器的构成及原理

　　生物传感器是指能感知或响应生物、化学量，并按一定规律将其转化为有用信号(包括电信号、光信号等)输出的器件或装置。生物传感器一般由分子识别元件(系统)和信号转换器两个部分构成。分子识别元件即感受器，含有对生化分子具有识别能力的生命物质(如酶、微生物、免疫物质、组织、全细胞及DNA等)，现在也有采用模仿生物分子识别功能的化学分子用于分子识别元件的构建，如人工合成的分子印迹聚合物(Molecularly Imprinted Polymer，MIP)。信号转换器即换能器，主要是电化学或光学检测元件(如电化学电极、离子敏场效应晶体管、压电晶体等)。
　　生物传感器的检测原理是：当被分析物与分子识别元件特异性结合后，通过各种物理、化学换能器捕捉目标物与敏感基元之间的反应，然后将反应程度用离散的或连续的信号表达出来，从而得出被分析物的信息。

二  生物传感器的发展历程

　　生物传感器研究起源于20世纪60年代，英国学者Clark在1962年提出，将酶促反应的高度特异性和电极响应的高度灵敏性结合起来，由此提出酶电极的概念，并由Clark本人和Lyons用实验阐述。1967年Updike和Hicks把葡萄糖氧化酶(GOD)固定化膜和氧电极组装在一起，成功地制成了葡萄糖酶电极。
　　到20世纪70年代不断有新的生物传感器被研制出来，如微生物传感器、免疫传感器等。微生物传感器相对酶传感器更经济，性能更稳定，现已广泛应用于发酵工业和环境监测。免疫传感器是基于抗体与相应抗原的识别和结合功能，发生特异性反应而导致电位、质量及光信号变化，从而实现相应的检测。
　　到20世纪80年代生物传感器研究领域基本形成。其标志性事件是：1985年“Biosensor(生物传感器)”国际刊物在英国创刊，1990年该刊更名为“Biosensors & Bioelectronics(生物传感器与生物电子学)”；1987年牛津出版社出版了“Biosensors：Fundamental and Applications(生物传感器：基础与应用)”；1990年首届世界生物传感学术大会(BIOESENSORS’90)在新加坡召开，并且确定以后每隔二年召开一次。此后生物传感器的研究逐渐兴旺起来。各种新型的传感器不断出现，其中具有代表性的是采用二茂铁及其衍生物作为氧化还原酶的介体，利用丝网印刷技术制作廉价的酶电极，使生物传感器的大批量生产成为可能，也使生物传感器走向商品化和实用化，如便携式(手掌式)血糖仪。还有就是随着各种新原理、新技术、新材料的不断发展，特别是微电子机械系统(Micro Electro Mechanical System，MEMS)技术及生物芯片技术的出现，生物传感器已跳出原来狭义的范围，扩展为以微型化、集成化、智能化和芯片化为特征的生化微系统。本文简单介绍几种新型生物传感器的发展及特点。

三  新型的生物传感器

1. 表面等离子共振生物传感器

　　表面等离子共振(Surface Plasmon Resonance， SPR)生物传感器是20世纪80年代出现的一种生物传感器技术，是生物学与物理学原理相结合的一个成功例子。它在检测生物分子特异性相互作用分析方面具有极高的灵敏度，在过去的10多年中迅速发展，已经在生命科学研究中获得比较广泛的应用。
　　表面等离子共振是一种物理光学现象，在20世纪初被Wood发现，早期是在真空中利用电子束轰击金属表面产生等离子体共振。20世纪60年代德国科学家Otto(1968)和Kretchmann(1971)分别发明了用可见光激发表面等离子体的方法，到上世纪80年代瑞典科学家Liedberg(1983)将这一技术用于大分子相互作用的检测。
　　表面等离子共振生物传感器的检测原理是：当一束平面单色偏振光在一定的角度范围内照射到镀在玻璃表面的金属薄膜上发生全内反射时，其入射光的波向量与金属薄膜内表面电子的振荡频率相匹配时，光线被耦合进入金属膜，此时光线提供的能量导致金属膜表面电子发生共振(等离子体共振)，电子吸收该能量使被反射光的强度达到最小，此时的入射角度称SPR角。SPR角随金属表面折射率的变化而变化，而这一变化又与金属表面结合的生物分子的质量成正比。因此SPR生物传感器是利用固态表面上生物敏感物质的亲和反应检测光学参数变化的一种生物传感器。它能准确、灵敏、快速、简便地检测多种生化指标，并实时监测生物分子间的相互作用。与传统的相互作用技术(如超速离心、荧光法等)相比，SPR生物传感器具有显著特点：
　　(1)实时检测，能动态地监测生物分子相互作用的全过程；
　　(2)无需标记样品，可保持分子的活性；
　　(3)检测过程方便、快捷，灵敏度高；
　　(4)能跟踪监控固定配体的稳定性；
　　(5)由于SPR基于对未穿透样品的反射光的测量，所以能在浑浊的甚至不透明的样品中进行。
　　基于以上特点，SPR生物传感器可以在生物分子相互作用、药物筛选、临床诊断、食品检测及环境监测等领域广泛应用。SPR生物传感器可以进行无标记的DNA杂交反应的检测，可以进行原位和实时地在线检测，这些特点是由它的换能原理决定的。SPR作为一种强有力的动态检测手段，具有诱人的发展前景。
　　清华大学和中国科学院电子研究所均自行研制了SPR生物传感器。其中中国科学院电子研究所的产品配有小型流动注入系统、温控测试池及可批量制备的SPR生物传感芯片。具有体积小、测定范围宽、精度高、灵敏度高、功能完整、操作方便、可靠、耗材廉价等优点，是一种创新性、实用化的现代科学仪器。目前，这种光、机、电一体化，智能化和实用化的SPR生化分析仪已提供几家科研单位使用。

2. 纳米生物传感器

　　微电子机械系统技术、纳米技术与传感技术的不断融合，使生物传感器越来越趋向于微型化。纳米生物传感器是随着纳米材料和纳米技术的发展而出现的一种新型的生物传感器。
　　在纳米技术的推动下，一些纳米传感器和纳米执行器应运而生。例如为糖尿病人研制的超小型、模仿健康人体内的葡萄糖检测系统的智能药丸，可植入皮下，监测血糖水平，必要时可释放出胰岛素，调控体内的血糖和胰岛素含量总是处于正常水平；另外能够探测单个活细胞的纳米探针，可插入活细胞内探测导致肿瘤的早期DNA损伤程度；还有一种DNA纳米传感器，很容易将锌、镍、钴等离子并入DNA的双螺旋中心，从而获得新的DNA导电体。它具有选择性结合，只要测定杂交DNA的电导变化即可探测遗传DNA畸变或鉴别环境毒素等。
　　利用纳米技术的量子尺寸效应和表面效应，可把传感器的性能提高到新的水平。不仅体积更小，而且速度更快，精度更高，可靠性更好。基于表面效应的纳米结构敏感膜是当前气敏传感器研究的热点，如把纳米金颗粒引入敏感膜制备中，使生物传感器的灵敏度等性能得到极大的提高。
　　分子马达是由生物大分子构成，利用化学能进行机械做功的纳米系统。它包括有线性推进和旋转式推进两种类型。DNA解旋酶为线性分子马达，而生物体中普遍存在的三磷酸腺苷酶(ATP)是旋转式分子马达。近年来科学家利用ATP酶作为分子马达，进入人体细胞完成发放药物等任务。
　　纳米机械悬臂(Nano Cantilever)是近年出现的新概念传感器。用硅纳米管或碳纳米管制作成机械悬臂。纳米悬臂梁一般长和宽为数微米，厚度为20~ 30 nm。由于热运动和环境噪声，悬臂会发生震动，震动频率通过激光多普勒震动测定。当外来物体落到悬臂梁上时，会改变震动频率。这种传感器装置及其灵敏，测定重量可以达到飞克级。此外相对压电晶体传感器更加容易批量制作，可以采用微电子工艺制备成微阵列。由于其具有灵敏度高、不需要标记、可以批量制作的特点，是非常有发展前途的生物传感器。

3. 芯片化生物传感器

　　芯片化生物传感器是随着“人类基因组计划”的实施而发展起来的新兴技术，以芯片化为结构特征的生物芯片系统，不仅是当前生物传感器的一个重要组成部分，而且是未来生物传感技术发展的一个重要方向。
　　生物芯片是指通过微细加工技术和微电子技术，将大量特定序列的核酸片断或蛋白有序地固定在载体上，与待检物质进行反应，通过检测反应产生的电信号或光信号的大小或强弱来判断样本中待测物的数量或含量，从而实现对核酸、蛋白、细胞及其它生物组分的准确、快速的筛选。生物芯片技术包括基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片、组织芯片及元件型微阵列芯片等新型的生物芯片。
　　基因芯片是生物芯片技术中发展最早和最成熟的产品。基因芯片是基于核酸探针互补杂交机制而研制的。核酸探针是一段人工合成的碱基序列，在探针上连接一些可检测物质，根据碱基互补机制，利用基因探针到基因混合物中识别特定基因。基因芯片的应用研究中以基因表达最多，其它依次为遗传学(包括基因组学研究)、病原基因检测、基因突变检测、DNA序列分析和药物筛选。然而，从发展趋势来看，药物筛选将成为一个重要的应用领域。目前国外几乎所有的制药公司都采用生物芯片技术来寻找药物靶标，分离和鉴定药物的有效成分，检查药物的毒性或不良反映。在疾病诊断方面，可用于人类基因组分析，找出癌症、糖尿病等有遗传基因缺陷引起疾病的遗传基因或DNA信息。
　　蛋白质芯片是微阵列芯片研制中极有潜力的一种芯片，也是当今最热门的研究内容。蛋白芯片与基因芯片的机制相似，不同的是芯片上固定的分子是蛋白质如抗原或抗体等；检测的机制是依据蛋白分子、蛋白与核酸、蛋白与其它分子的相互作用。由于蛋白芯片灵敏度较高，稳定性较好，在临床检测方面大有发展。蛋白芯片与基因芯片相比，更方便，更快捷。
　　生物芯片主要特点是高通量、微型化和自动化。生物芯片上高度集成的成千上万密集排列的分子微阵列，能够在很短时间内分析大量的生物分子，使人们能够快速准确地获取样品中的生物信息，检测效率是传统检测手段的成百上千倍。生物芯片将是继大规模集成电路之后的又一次具有深远意义的科学技术革命。
　　中国的生物芯片研究近年来发展也比较快，经过几年的培育发展，目前，无论是生物芯片系列技术的开发，还是生物芯片在生物学研究中的应用，都取得了不少的成果。如丙型肝炎分片断抗体检测试剂盒、“SARS病毒多抗体检测蛋白芯片”，以及可同时检测12种肿瘤标志物的蛋白芯片检测系统——多肿瘤蛋白芯片检测系统均获得国家食品药品监督管理局颁发的新药证书。多肿瘤标志物蛋白芯片检测系统可同时检测包括肝癌、肺癌、前列腺癌、胰腺癌、胃癌、食管癌、卵巢癌、子宫内膜癌、结(直)肠癌和乳腺癌等多种肿瘤。

4. 仿生传感器

　　仿生传感器是智能化生物传感器的研究热点，是传感器技术的一个发展方向。在感触、视听辨别等方面已有最新的研究成果问世。
　　人工嗅觉传感系统的典型产品是“电子鼻”，目前已有数种商品化的产品在国际市场流通，美、法、德、英国家均有比较先进的电子鼻产品问世。电子鼻系统通常是将不同气敏传感元件集成起来，利用各种敏感元对不同气体的交叉敏感效应，采用神经网络模式识别等先进的数据处理技术，对混合气体的各种组分同时监测，而得到混合气体的组成信息的，具有识别简单和复杂气体的能力。其敏感材料主要是金属氧化物半导体和导电聚合物，配置阵列单元数量从几个到数十个不等，由阵列响应模式来确定其所测气体的特征。阵列响应模式采用关联法、最小二乘法及主要元素分析法等方法对所测气体进行定性和定量鉴别。
　　味觉是同时捕捉多种物质的复合感觉，能探测味觉的传感器就是“人工舌”。一个完善的人工舌必须研制不同种敏感材料的阵列式膜电极，以感受不同味道，对味觉信息进行编码，综合图像处理进行味觉识别。巴西一家公司研制出一种便携式“电子舌”，在电子舌上共装有4个化学传感器。由薄膜高分子聚合物沉积在金质电极上并与电路相连。电子舌接触待测溶液时，薄膜吸收溶解在水中的物质，导致电极的电容值发生变化。4个传感器的状态组合，就是这种溶液的“味道”，然后对照包含有甜、酸、苦、咸等标尺的图谱即可确定出其味道。利用这种非常精密的电子舌，能够发现水中极少的量的杂质，可以精确的测定饮料和食物的味道，评定酒、矿泉水及其它食物的质量，在某些方面比人类品味专家更灵敏。

四  结束语

　　生物传感技术作为生物科学和信息科学的契合点，随着微电子技术、纳米技术及芯片技术不断渗入到传感技术领域、必将促进生物传感技术的飞速发展。可以预见，未来生物传感器的发展，在信息量激增和新的信息类型不断涌现的情况下，将具有功能多样化、微型化、智能化与集成化的特征。

（全文完）

来源：《世界医疗器械》

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