生物传感器在医学领域中的应用

医学检验需要建立各种快速检验方法，传统检验方法以实验室方法为主，包括一系列繁琐的操作过程，而且周期长，远远不能适应临床的需要，生物传感器的出现导致了分析生物学技术的一场革命，分析生物学从“半定量”向精确定量和自动化操作过程的转换。生物传感器是基于生物反应进行检测的一类特殊的化学传感器，它是以生物活性单元(如酶、抗体、核酸、微生物、细胞、组织等)作为生物敏感基元，对被测样品具有高度选择性的检测器，它通过各种化学、物理信号转换器捕捉目标与敏感基元三向的反应，然后将反应的程度用离散或连续的电信号表达出来，从而得出被检测品的浓度。由于生物传感器为临床检验提供了一条快速、操作简便的新型手段，已引起检验医学界的关注。

生物传感器是由生物、化学、物理、医学、电子技术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术，是一种将生物感应元件的专一性与一个能够产生和待测物浓度成比例的信号传导器结合起来的分析装置[1]，主要用于生物医学信息的检测。

1962年英国学者Clark和Lyons最先提出，可以将酶反应的高度特异性和电极响应的高度灵敏结合起来，由此提出酶电极概念[2]。1967年，updike和Hicks成功的研制出第一个以铂电极为基本的葡萄糖氧化酶传感器[3]。70年代，相继出现了电流型和电位型微生物电极、组织电极、线粒体电极。80年代，利用生物反应的光效应、热效应、场效应和质量变化而开发的生物传感器蓬勃发展，开始了生物电子学传感器的新时代。我国的生物传感器就始于这一时期：1988年梁逸曾将其全面系统地介绍给了国内化学界[4]。90年代，虽然我国生物传感器的某些研究项目处于国际领先地位，但目前国内尚无真正商品化的传感器面市，总体研究水平与国际上还有一段差距。到目前为止，生物传感器大致经历了3个发展阶段：第一代生物传感器是由固定了生物成分的非活性基质膜和电化学电极组成；第二代生物传感器是将生物成分直接吸附或共价结合到换能器表面，而无需非活性的基质膜，测定时不必向样品中加入其它试剂；第三代生物传感器是把生物活性成分直接固定在电子元件上，它们可以直接感知和放大界面物质变化，从而把生物识别和信号转换处理结合在一起。

1 生物传感器的工作原理及结构生物传感器的检测原理：待测物质进入生物活性材料(如酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等)，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息继而被相应的物理或化学换能器转变成可定量和可处理的电、声、光等信号[5]。再经二次仪表放大并输出，便可知道待测物浓度。传感器的结构一般由两部分组成，其一是生物分子识别元件(感受器)，是指将一种或数

生物传感器在医学领域中的应用

鲁然

[关键词] 生物传感器；医学领域

咱相关生物活性材料固定在其表面(也称生物敏感膜)；其二是能把生物活性表达的信号转换为电、声、光等信号的物理或化学换能器，二者结合在一起，用现代微电子和自动化仪表技术进行生物信号的再加工，构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。

2 生物传感器的分类及特点2.1 生物传感器的类型 生物传感器的类型和命名方法比较多而且不一，主要有两种分法即按分子识别元件分类和按换能器类型分类，两种方法如图1[6]。

2.2 生物传感器的特点 ①采用固定化生物活性物质作催化剂，价值昂贵的试剂可以重复多次使用，克服了过去酶法分析试剂费用高和化学分析繁琐复杂的缺点。②专一性强(选择特异性强)，只对特定的底物起反应，而且不受颜色、浊度的影响。③分析速度快，可以在一分钟得到结果。④准确度高，一般相对误差可以达到1%。⑤操作系统比较简单，容易实现自动化分析。⑥成本低，在连续使用时，每例测定仅需要几分钱人民币。⑦有的生物传感器能够可靠地指示微生物培养系统内的供氧状况和副产物的产生，能得到许多复杂的物理化学传感器综合作用才能获得的信息。同时它们还指明了增加产物产率的方向。

3 在医学领域中的应用分子生物传感器可以广泛应用于对体检中的微量蛋白、小分子有机物、核酸等多种物质的检测。在现代医学检验中这些项目是临床诊断及病情分析的重要依据，能够在体内的实时监控生物传感器对于手术中和重症监护的病人很有帮助。

3.1 酶传感器的应用

酶传感器是由固定化酶作为敏感元件的生物传感器。应用酶传感器可以省去提纯酶的复杂步骤。许多酶传感器都可以用于临床生化指标(葡萄糖、乳酸、尿素、尿酸、肌酸、肌酐、谷氨酰胺、血清中总蛋白、血清中胆固醇、血清中甘油三脂、天

作者单位：071000 河北保定252医院检验科 (鲁然)

图1 生物传感器的分类

门冬酰胺等)测定。检测葡萄糖的酶传感器已经发展到了第四代葡萄糖传感器，广泛应用于临床检验。血清中乳酸浓度是反映人体体内消耗程度的重要指标，国际上已经有成熟的乳酸酶生物传感器上市。在临床检查中，定量分析患者血液和体液中尿素对肾功能诊断是很重要的。另外，对慢性肾功能衰竭的患者进行人工透析时，在确定人工透析次数和透析时间，实施有效计划的人工透析上，尿素的定量检验是必不可少的，尿素传感受器已经商品化，用于全血、血清、尿液等样品中尿素的测定。现在已经达到实用水平的酶传感器有200种以上。

3.2 免疫传感器的应用

利用抗体能够识别抗原并和被识别抗原结合的功能，借此开发的生物传感器即是免疫传感器。免疫传感器相对于一般免疫检测方法，主要优势在于它能弥补目前常规免疫检验方法不能进行定量检测的缺点。免疫传感器能实时检测抗原抗体反应，同时把反应信号连续记录下来，有利于进行抗原抗体的动力学分析，因为抗原抗体的结合有很高的特异性，从而减少了非特异性干扰，提高了检测的准确性，并且有较大的检测范围。用于病毒(人类免疫缺陷病毒、肝炎病毒、巨细胞病毒、葡萄球菌肠毒素等)的检测；用于人体蛋白质的测定，如甲胎蛋白、人体免疫血清蛋白、胰岛素、IgA、IgG、IgM、IgE等测定。一种可以用于测定甲胎蛋白的免疫传感器，最低检测浓度可达到5μg/L。SunCR等人研制了一种可以检测胰岛素的免疫传感器，其最低检测浓度为1μg/L，与常规放射免疫检测技术相比，该传感器对胰岛素的方法可以作为替代的后选方法之一。心型细胞脂肪酸结合蛋白(H-FABP)是一种相对分子量为15000的小分子蛋白,是急性心肌损伤，预防心肌梗死。

Tang等将HbsAb固定在铂电极的纳米金颗粒上制成多层膜修饰的免疫传感器，利用电位滴定法和电流法进行乙肝表面抗原(HbsAb)检测，可检测到HbsAb的线性范围为0.05～45μg/ml，其最低检测限量分别为0.15μg/ml和0.005μg/ml,临床应用的结果与ELISA方法检测结果相当。Tan等报道了一种以有机修饰硅溶胶凝胶膜为支持物的电化学免疫传感器检测血清样品中HCG，其检测的线性范围在0.5～50MIU/ml，最低限量可达0.3MIU/ml,分析准确,性能稳定,免疫传感器不但能够推动免疫检测法的发展，而且将对临床检测领域产生深远的影响。

3.3 微生物传感器的应用

微生物传感器由包含微生物的膜的感受器和电化学换能器组合而成。利用固定化微生物代谢消耗溶液中溶解氧或产生一些电活性物质并放出光或热的原理实现待测物质的定量测定。微生物传感器较酶传感器更经济、更稳定，但微生物传感器的选择性一般不大高。微生物传感器是1975年Divies研究的乙醇传感器。Vincke等人于1983年利用变形杆菌制成了尿素传感器，同年Kabo等人制成了用于测定血中肌酸肝含量的微生物传感器。据报道，现在微生物生物传感器可以测定六七十种物质。但是很多微生物传感器目前仍处于研究阶段。测定样品中毒害因素是影响传感器稳定响应和寿命的关键因素，也是微生物传感器市场化的主要控制因素。

3.4 基因传感器的应用

基因传感器是生物传感器中出现最晚的一类传感器，但是它所用的技术却是最新的。近年来，国内外有关基因传感器的研究十分活跃，正成为生物传感器技术的研究热点。基因生物传感器是以杂交过程高特异性为基础快速传感检测技术。基

因传感器一般有10～30个核苷酸的单链核酸分子，能够专一地与特定靶序列进行杂交，从而检测出特定的目标核酸分子。基因传感器中通常具有这样的特点：杂交反应在其表面上直接完成，并且转换器能够将杂交过程所产生的变化转变成电信号。根据杂交前后电信号变化量，从而推断出被检测DNA的量。根据检测对象的不同，基因传感器可以分为DNA生物传感器和RNA生物传感器两类。目前研究的基因传感器主要为DNA传感器，它是目前生物传感器中报道最多的一种，引起广大临床检验工作者的兴趣。DNA生物传感器用于临床疾病诊断有关的结核杆菌，乙型肝炎病毒(HBV)，1型艾滋病毒DNA传感器的报道，用于测定相应的细菌和病毒DNA，以诊断相应疾病。

4 生物传感器的发展前景生物传感器的开发依赖于生物技术、生物电子学和微电子学最新成果的不断渗透和发展，在未来的研究工作中，重点以生物感受器系统水平为主攻目标，以期开发出像人类嗅觉器官、味觉器官那样更灵敏、更新颖的生物传感器，如专业化的生物传感器、微型的生物传感器、集成式的生物传感器、生物相容性的生物传感器、生物可理解的和智能化的生物传感器等，可以预见，未来的生物传感器将具有以下特点：

⑴功能多样化：未来的生物传感器将进一步涉及医疗保健、疾病诊断、食品检测各个领域。目前，生物传感器研究中重要内容之一就是研究仿生传感器。

⑵体积小型化：随着微电子机械系统技术和纳米技术不断深入到传感技术领域，生物传感器将不断微型化，各种便携式生物传感器的出现使人们在家中进行疾病诊断。

⑶智能化与集成化：未来的生物传感器必定与计算机紧密结合，自动采集数据、处理数据，更科学、更准确地提供结果，实现采样、进样、结果一条龙，形成检测的自动化系统，同时，芯片技术将越来越多地进入传感器领域，检测系统的集成化、一体化，生物传感器不断与其他分析技术联用互相取长补短向体内监测、在线监测方向发展。

⑷成本低、高灵敏度、高稳定性和高寿命：生物传感器技术的不断进步，必然要求不断降低产品成本，提高灵敏度、稳定性和延长寿命。

生物传感器必将在发展中不断完善，成为医学领域发展的参考文献

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[2] Leth S,Maltoni S, Sinkus R.Engineered bacteria based biosensors formonitoring bioavailble heavy[J].E lectroanalysis,2002,14(1):35-42.

[3] LehmannM,Riedl K.Amperometric measuren ent of copper ions with a deputy substrate using a novel Saccharomyces cerevisiae sensor[J].Biosensors and bioelectronics,2000,15(3-4):211-219.

[4] Campanella L,Cubadda F,Sammartino M P,et al.An algal biosensor for the monitoring of water toxicity in estuarine enviraonments[J].Wate Research,2001,35(1):69-76.

[5] 林泉,彭承琳,宋文强.生物传感器的发展及其在生物医学中的应用[J].中国医学装备,2007,4(4):19-22.

[6] 张先恩.生物传感器原理与应用[M ].长春:吉林科技出版社,1991.