生命科学论文

年级：2011 学院：求是学部专业：测控技术与仪器姓名：胡继洲学号：3011204127

精密仪器在生命科学领域的发展概况

精密仪器是生命科学研究不可缺少的工具，而生命科学又以其独特的成果给精密仪器的设计以新的启示。

现代生命科学是以分子生物学为基础的。它所研究和观测的层次是细胞、分子乃至量子水平，因此所用精密仪器的灵敏度和分辨力应能满足上述各种层次的需要。

生命的特征是新陈代谢。生命科学往往需要获得活机体的信息，而不只是对死机体的测量结果；既使从活的生物体内取出样品进行离体测量，也不是最理想的方法。

除了以上一些要求外，从应用的角度考虑，还要求仪器具有简便、快速、精确与经济等特点。在医学检验诊断仪器中，这种要求更为突出。

目前生命科学用仪器仪表在下述几方面的发展动向是值得注意的。

一、原理与方法

分子生物学所观测的现象有不同的结构层次。不同层次所使用的仪器，在工作原理上是不完全相同的。

细胞对环境的识别是通过嵌合于细胞膜表面的活性物质进行的。细胞免疫与癌变过程都首先从细胞膜表面结构的改变开始。表面与界面现象在生命科学中具有很重要的意义。

近年来，对细胞、细菌及胶体微粒表面现象的观测表明，在这一领域内，电泳是一种较好的检测手段。因为在一定的条件下，电泳速率与被测物质的表面电荷密度、s电位存在明确的定量关系。对于固体组织的表面，光声光谱与光声反射吸收光谱是强有力的观测工具。对于生物组织切片的观测，各种平板选择性膜电极有广泛的用途。

要观测生物体内的自由基反应和分子结构，需借助于电子顺磁共振波谱仪(ESR)和核磁共振波谱仪(NMR)。前者以原子核外电子的自旋运动为基础,后者以原子核的磁矩为基础。对物质结构的深人探测,必然涉及许多微观现象。一般说来,对物质结构的了解愈深入，要求仪器仪表的灵敏度和分辨率也就愈高。这也是ESR与NMR与中子活化法等受到普遍重视的原因。

生命科学所观测的信号都很微弱,必须进行放大才能检测。在生命科学用仪器仪表中，放大的概念和放大技术都有新的发展。除了力学放大(杠杆)、光学放大(显微镜)、电子学放大与共振放大等物理方法外，还发展到化学放大、生物学放大等。化学放大可以用催化反应作代表，而生物学放大可以用免疫过程中的补体反应作例子。补体系统的放大作用是一种多级放大。化学放大与生物学放大同物理学放大相比较，一般说来具有噪声低、放大倍数高等优点。因此，在设计生命科学用仪器仪表时，应当充分利用化学放大和生物学放大作用。

二、生物传感器

生物传感器是传感器的分支学科。生物传感器可以有两种解释。一是指生物体内的传感器，二是指能把生物体的各种非电量转换为电量的器件。大多数人接受后一种定义。但是两者是密切关联的。即人工制作的生物传感器往往要向天然的生物传感器借鉴。发展生物传感器不仅可以提高生命科学用仪器的质量，而且可以通过仿生技术,改进传感器的设计。从这个意义上说，研制生物传感器的重要性，将超出生命科学的范围。

生物本身的传感器,就其灵敏度与选择性，而言，是现有的人工传感器所无法比拟的。例如，经晤适应后，人眼可以感受相当于1个光子的光量。人们可以明显嗅知某些气味，而分析仪器却无法检测出来。

由此可见膜与活性物质(相当于受体)，是构成传感器的基础物质,这一模式是具有普遍意义的。目前研制的各种离子选择性膜电极、酶电极、免疫电极、细菌电极等，都是这一模式的具体体现。

采用微电子学集成电路技术，可以实现FET型传感器的微型化。这种微型传感器输出

阻抗低，为测量电路的设计带来方便。但要把上述微型传感器全部插人细胞内，目前还是难以实现。有一种方法是把活性物质埋人玻璃材料，再对玻璃进行拉制而较粗的另一端与FET 绝缘栅结合。

微型传感器技术的另一种应用是取代生物自身损坏了的传感器。例如生物硅片，它是将活性物质集成在硅片类物质上制成的。将它植人人体特定部位，可以感受并认别来自体内或体外的非电信号,经预处理后，变为神经系统可以接受并传送的电脉冲。这种智能传感器，可以取代盲人的视网膜，使视网膜损伤或有缺陷的盲人重见光明。

三、生物活性探测器

生物活性探测器是指测量生物体能量代谢水平与物质代谢速率的仪器。测量能量代谢的简易方法是测量细胞、细菌或生物组织等在一定条件下的发热功率。而测量物质代谢速率较简易的方法是测量酶的活性，因为物质代谢的速率是受酶直接控制的。

生物活性探测器的研制日益受到人们的重视，瑞典LKB公司己成立了生物活性探测器发展部。该公司生产的生物活性探测器，测量发热功率可达微瓦级，可用来测试多种生物样本。苏联科学院蛋白质研究所研制的测量生物大分子热学参数的微热计，也已达到实用化阶段。我们自己设计的生命科学用微热计,也已接近完成实验室的设计试验阶段。这类微热计还可用来观测生物的表面现象。

以往测试酶活性的装置大都属于通用生物化学分析仪器,监测对象是各种体液或组织匀浆。但是大多数酶常嵌合在细胞膜表面上，藉表面界面间的作用而充分发挥其功能。我们设计试验了一种生物组织切片表面酶活性探测器。这种探测器的特点之一是切片的形态学观测与生物化学测量可以在同一个切片上进行，可以为形态学研究与机能学研究的结合提供新的信息，也为临床病理诊断提供一种新的工具。

四、结语

综上所述，近年来生命科学是精密仪器技术一个活跃的领域，已有不少重要的突破。新原理、新材料、新工艺、新产品不断出现。从上述发展中可以看出以下明显倾向：工作原理量子化，设计方法数学化，制作工艺集成化，信息处理微机化。这些就是近年来生命科学与精密仪器发展的重要特征与趋向。

我国的精密仪器科研和生产，要加强调查研究，看准方向，掌握重点，立足我国实际需要，制订长期发展规划，同时作好短期安排，分工协作，组织攻关。目前要突破集成化传感器技术；逐步普及微处理机的应用与数字显示技术。发展单元组合式仪器仪表。根据需要适当调整厂所布局。

在发展新元件、新材料的同时，要努力提高现有元件材料的质量，实行仪表元件与材料的专业化生产，严格制订元件与材料的规格及其检验制度。