生物传感器在医学领域中的应用

一、生物传感器应用前景广阔

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。生物传感器是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法。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。

21世纪将是生物经济时代。而生物传感器则作为生物技术支撑及关键设备之一，也必然会得到极大的发展，成为生物技术发展中出现的新产业链，它们将进一步与信息技术相结合，发展成为生物技术的数字工程。有人把21世纪称为生命科学的世纪，也有人把21世纪称为信息科学的世纪。在21世纪生物传感器技术必将是介于信息和生物技术之间的新增长点，在国民经济中的临床诊断、工业控制、食品和药物分析（包括生物药物研究开发）、环境保护以及生物技术、生物芯片等研究中有着广泛的应用前景。

二、生物传感器的种类

生物传感器与其它传感器的最大区别在于生物传感器的信号检测中含有敏感的生命物质。这些敏感

物质有酶、微生物、动植物组织、细胞器、抗原和抗体等。根据生物传感器中分子识别元件即敏感元件可分为五类：酶传感器（enzymesensor），微生物传感器（microbial sensor），细胞传感器（organall sensor），组织传感器（tis-sue sensor）和免疫传感器（immunol sensor）。生物传感器中的信号转换器与传统的转换器并没有本质的区别。例如：可以利用电化学电极、场效应晶体管、热敏电阻、光电器件、声学装置等作为生物传感器中的信号转换器。据此又将传感器分为生物电极（bioelectrode）传感器，半导体生物传感器（semiconduct biosensor），光生物传感器（optical biosensor），热生物传感器（calorimetric biosensor），压电晶体生物传感器（piezoelectric biosensor）等，换能器依次为电化学电极、半导体、光电转换器、热敏电阻、压电晶体等。生物传感器按照传感器器件检测的原理分类，可分为热敏生物传感器、场效应管生物传感器、压电生物传感器、光学生物传感器、声波道生物传感器、酶电极生物传感器、介体生物传感器等。生物传感器按照生物敏感物质相互作用的类型分类，可分为亲和型和代谢型两种。也可根据所监测的物理量、化学量或生物量而命名为热传感器、光传感器、胰岛素传感器等。

三、生物传感器在医学领域中的应用

医学领域的生物传感器发挥着越来越大的作用。生物传感技术不仅为基础医学研究及临床诊断提供了一种快速简便的新型方法，而且因为其专一、灵敏、响应快等特点，在军事医学方面，也具有广阔的应用前景。 在临床医学中，酶电极是最早研制且应用最多的一种传感器。利用具有不同生物特性的微生物代替酶，可制成微生物传感器。在军事医学中，对生物毒素的及时快速检测是防御生物武器的有效措施。生物传感器已应用于监测多种细菌、病毒及其毒素。

1．药物分析

药物分析用生物传感器其典型代表产品是SPR生物传感器，这是一种表面膜共振分析，是实时测定生物分子结合的技术，在九十年代初由发玛西亚公司引入，以抗原抗体结合分析为例，将抗原（或抗体）通过表面化学方法固定在芯片的金箔表面，然后让抗体（或抗原）流过抗原抗体的结合将改变膜表面液体性状，从而影响金箔共振性质，这一改变可被实时检测并记录下来（这被称之结合相）。如改让缓冲液流过，结合的抗体（或抗原）将解离并被带走，这同样改变膜表面液体性状，检测并记录下来的金箔共振性质改变就是解离相。

SPR生物传感器是一种昂贵的生物传感器分析仪，国内只有少许有条件的实验室从国外购进，并以对外收费的服务形式运行。它主要用于部份新药研发中药物作用的分子活性基团的识别。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．肿瘤监测

英国纽卡斯尔大学科学家研发了可用于检测肿瘤蛋白以及耐药性MASA细菌的微型生物传感器。该系统利用一个回旋装置来检测，类似导航系统和气袋的原理。振荡晶片的大小类似于一颗尘埃尺寸，有望可使医生诊断和监测常见类型的肿瘤，获得最佳治疗方案。该装置可以鉴定肿瘤标志物－蛋白以及其它肿瘤细胞产生的丰度不同的生物分子。该小组下一步目标是把检测系统做成一个手持式系统，更加快速方便地检测组织样品。欧共体已经拨款1200万欧元资金给该小组，以使该技术进一步完善。

苏格兰Intermediary Technology Institutes计划投资1亿2千万英镑发展“生物传感器平台”（Biosensor Platform）。作为将诊断和治疗疾病结合在一起的新兴疗法，能够在诊断的同时，提出适合不同病人的治疗方案，可以降低疾病诊断和医学临床的费用与复杂性，同时具备提供疾病发展和药品疗效成果的能力。目前该技术已被使用在某些乳癌的治疗上，只需在事前做些特殊的测试，即可根据结果决定适合的疗程。这个技术更被医学界视为未来疾病疗程的主流。

3．血糖分析仪

美国Cygnus公司正在开发的手表式血糖监测仪是一种连续的自动血糖监测装置。在对其校准之后，该装置无疼痛地进行监测并显示大量的血糖数据，可帮助糖尿病患者更好地控制其忽高忽低的血糖值。该装置像一块戴在腕部的手表，使用低电流无痛地将血糖抽取到自耗式经皮透渗贴片（自动传感器）。该自动传感器内置一个生物传感器，安放在手表式血糖监测仪的背面，紧贴在皮肤上。收集到的血糖在自动传感器内引发电化学反应，产生电子。

高精度血糖分析仪是采用固定化酶的生物传感分析仪。其分析精度可以达到0.5-2%，比家用保健类生物传感器几乎高一个数量级，比目前医用生化分析仪的精度也高2-3个百分点。这在血糖分析领域是非常重要的，它们可以用作血糖分析的标准方法。

4.胰岛素泵

胰岛素泵又称为持续胰岛素输注泵，是为模拟自身胰岛素的生理性分泌，使血糖获得理想的控制而设计的智能式输注装置。现有皮下型和植入型。目前这类广泛应用的胰岛素泵还是开环式的，从严格的意义来说，它只是一种智能式的注射装置，但是它离不开血糖的分析，况且，30多年来研制与血糖分析器偶联的闭环式人工胰岛的努力一直没有停止，这种目标终究会实现。

四、生物传感器发展现状

由于生物传感器可以取代常规的化学分析方法，因此，它的出现可以说是一场技术革命。为此，世界上一些科技发达的国家都把生物传感器的研究作为生物技术产业化的关键技术，投入了相当大的人力、物力进行研制开发。目前，市场上出售的生物传感器大多是第二代产品，它含有生物工程分子，能直接感知并测定出指定的物质。第三代或第四代的生物传感器的典型代表是把硅片与生命材料相结合制成的生物硅片。这种有机与无机相结合的生物硅片比传统硅片的集成度要高几百万倍，且在工作时不发热或仅产生微热。

我国生物传感器的产业正处在发展阶段，有较大经济潜力的项目主要是手掌型血糖分析仪及胰岛素泵二类产品。生产单位不多，都属于中小型企业，但是行业竞争激烈。与外资公司同类产品相比较，技术上差距不大。我国在固定化酶生物传感器研发、生产和应用方面居国际领先水平，经过15年发展已有许多应用单位，对国民经济影响大，产生了比较显著的经济效益。但是作为一类生物技术专用的检测工具，其产业规模不大。固定化酶生物传感分析仪的应用，离不开配套试剂盒供应和持久的技术服务。