醫(yī)療電子之眼：生物傳感器的研究重點(diǎn)

    一、生物傳感器研究起源

　　  20世紀(jì)的60年代,Updike和Hicks把葡萄糖氧化酶(GOD)固定化膜和氧電極組裝在一起,首先制成了第一種生物傳感器,即葡萄糖酶電極。到80年代生物傳感器研究領(lǐng)域已基本形成。其標(biāo)志性事件是:1985年《生物傳感器》國際刊物在英國創(chuàng)刊;1987年生物傳感器經(jīng)典著作在牛津出版社出版;1990年,首屆世界生物傳感器學(xué)術(shù)大會(huì)在新加坡召開,并且確定以后。生物傳感器是一個(gè)非常活躍的研究和工程技術(shù)領(lǐng)域,它與生物信息學(xué)、生物芯片、生物控制論、仿生學(xué)、生物計(jì)算機(jī)等學(xué)科一起,處在生命科學(xué)和信息科學(xué)的交叉區(qū)域。它們的共同特征是:探索和揭示出生命系統(tǒng)中信息的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸、加工、轉(zhuǎn)換和控制等基本規(guī)律,探討應(yīng)用于人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的基本方法。生物傳感器技術(shù)的研究重點(diǎn)是:廣泛地應(yīng)用各種生物活性材料與傳感器結(jié)合,研究和開發(fā)具有識(shí)別功能的換能器,并成為制造新型的分析儀器和分析方法的原創(chuàng)技術(shù),研究和開發(fā)它們的應(yīng)用。生物傳感器中應(yīng)用的生物活性材料對(duì)象范圍包括生物大分子、細(xì)胞、細(xì)胞器、組織、器官等,以及人工合成的分子印跡聚合物(molecularlyim2priniedpolymer,MIP)。由于研究DNA分子或蛋白質(zhì)分子的識(shí)別技術(shù)已形成生物芯片(DNA芯片、蛋白質(zhì)芯片)獨(dú)立學(xué)科領(lǐng)域。

　      待測(cè)物質(zhì)經(jīng)擴(kuò)散作用進(jìn)入生物活性材料,經(jīng)分子識(shí)別,發(fā)生生物學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生的信息繼而被相應(yīng)的物理或化學(xué)換能器轉(zhuǎn)變成可定量和可處理的電信號(hào),再經(jīng)二次儀表放大并輸出,便可知道待測(cè)物濃度。

　     三、生物傳感器的種類

　　  (1)按照其感受器中所采用的生命物質(zhì)分類,可分為:微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器、細(xì)胞傳感器、酶?jìng)鞲衅鳌NA傳感器等。

　　  (2)按照傳感器器件檢測(cè)的原理分類,可分為:熱敏生物傳感器、場(chǎng)效應(yīng)管生物傳感器、壓電生物傳感器、光學(xué)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。

　　  (3)按照生物敏感物質(zhì)相互作用的類型分類,可分為親和型和代謝型兩種。

　　  四、生物傳感器的特點(diǎn)

　　  (1)采用固定化生物活性物質(zhì)作催化劑,價(jià)值昂貴的試劑可以重復(fù)多次使用,克服了過去酶法分析試劑費(fèi)用高和化學(xué)分析繁瑣復(fù)雜的缺點(diǎn)。

　　  (2)專一性強(qiáng),只對(duì)特定的底物起反應(yīng),而且不受顏色、濁度的影響。

　　  (3)分析速度快,可以在一分鐘得到結(jié)果。

　　  (4)準(zhǔn)確度高,一般相對(duì)誤差可以達(dá)到1%。

　　  (5)操作系統(tǒng)比較簡單,容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析。

　　  (6)成本低,在連續(xù)使用時(shí),每例測(cè)定僅需要幾分錢人民幣。

　　  (7)有的生物傳感器能夠可靠地指示微生物培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)的供氧狀況和副產(chǎn)物的產(chǎn)生。

　　  五、現(xiàn)今生物傳感器介紹

　　  (1)SPR生物傳感器。藥物分析用生物傳感器其典型代表產(chǎn)品是SPR生物傳感器,這是一種表面膜共振分析,是實(shí)時(shí)測(cè)定生物分子結(jié)合的技術(shù),在九十年代初由發(fā)瑪西亞公司引入,以抗原抗體結(jié)合分析為例,將抗原(或抗體)通過表面化學(xué)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(jié)合將改變膜表面液體性狀,從而影響金箔共振性質(zhì),這改變可被實(shí)時(shí)檢測(cè)并記錄下來(這被稱之結(jié)合相)。如改讓緩沖液流過,結(jié)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(cè)并記錄下來的金箔共振性質(zhì)改變就是解離相。它主要用于部份新藥研發(fā)中藥物作用的分子活性基團(tuán)的識(shí)別。 

　　  (2)固定化酶生物傳感分析儀。固定化酶生物傳感分析儀是最早出現(xiàn)且精度最高的生物傳感器。固定化酶生物傳感器最重要服務(wù)對(duì)象包括:臨床、食品分析、發(fā)酵工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)、防衛(wèi)安全檢測(cè)等領(lǐng)域。例如在發(fā)酵工業(yè)的氨基酸工業(yè)(味精、天冬氨酸、丙氨酸、賴氨酸等)、抗生素工業(yè)(葡萄糖等的在線監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng))、酒類工業(yè)(酒精生物傳感器1min可得到結(jié)果)、酶制劑工業(yè)(糖化酶快速分析)、淀粉糖工業(yè)(葡萄糖、淀粉、糖化酶的分析)、生物細(xì)胞培養(yǎng)(葡萄糖、乳酸、谷氨酰胺分析)、石化工業(yè)中微生物脫硫細(xì)胞培養(yǎng)監(jiān)控、維生素C的生產(chǎn)、發(fā)酵甘油的生產(chǎn)等,生物傳感器檢測(cè)技術(shù)是生物加工類企業(yè)改造的重要途徑之一,在線生物傳感器分析是建立生產(chǎn)模擬系統(tǒng)和實(shí)時(shí)檢測(cè)的新工具。

　　  (3)血糖—乳酸生物傳感自動(dòng)分析儀。具有自動(dòng)識(shí)別試管位置功能的樣品盤、自動(dòng)定量吸入樣品的取樣系統(tǒng)和相應(yīng)的生物傳感敏感膜。組裝成整機(jī),能實(shí)現(xiàn)微量取樣、快速響應(yīng)、高精度,操作完全自動(dòng)化的有競(jìng)爭力的新生物傳感器。

　　  (4)高精度血糖分析儀。高精度血糖分析儀是采用固定化酶的生物傳感分析儀。其分精度可以達(dá)到0.5～2%,比家用保健類生物傳感器幾乎高一個(gè)數(shù)量級(jí),比目前醫(yī)用生化分析儀的精度也高2～3個(gè)百分點(diǎn)。這在血糖分析領(lǐng)域是非常重要的,它們可以用作血糖分析的標(biāo)準(zhǔn)方法。尤其是在市場(chǎng)銷售的手掌型血糖分析儀出現(xiàn)質(zhì)量事故時(shí),需要另一種有說服力的分析方法證明其分析結(jié)果時(shí),固定化酶葡萄糖生物傳感分析儀可以作為一種理想的仲裁工具。它們既可作為醫(yī)用類型的分析儀,還可用作生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的過程監(jiān)控、食品分析、和科研工具。多種酶?jìng)鞲衅餮芯块_發(fā)比較成熟,已形成商品。