發(fā)展中的生化傳感器

關(guān)鍵詞：生化傳感器；商品化；微型化；集成化；智能化；生物芯片

中圖分類號： TP212.3/TP212.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 : Ａ

一、引言

生化傳感器是指能感應(yīng)（或響應(yīng)）生物、化學(xué)量，并按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成可用信號（包括電信號、光信號等）輸出的器件或裝置。它一般由兩部分組成，其一是生 化分子識別元件（感受器），由具有對生化分子識別能力的敏感材料（如由電活性物質(zhì)、半導(dǎo)體材料等構(gòu)成的化學(xué)敏感膜和由酶、微生物、 DNA 等形成的生物敏感膜）組成；其二是信號轉(zhuǎn)換器（換能器），主要是由電化學(xué)或光學(xué)檢測元件（如電流、電位測量電極，離子敏場效應(yīng)晶體管，壓電晶體等）。然 而，隨著當(dāng)前各種新材料、新原理和新技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是微電子機(jī)械系統(tǒng) (Micro electro mechanical system ， MEMS) 技術(shù)和生物芯片技術(shù)的出現(xiàn)，目前生化傳感器的概念已經(jīng)跳出了原來狹義的圈子，擴(kuò)展為以微型化、集成化、智能化和芯片化為特征的生化微系統(tǒng)。

生化傳感器已經(jīng)經(jīng)歷了一段較長的發(fā)展歷程，最早的化學(xué)傳感器可以追溯到 100 多年前的 H + 離子選擇性電極，而生物傳感器也可以追溯到上個世紀(jì) 60 年代英國人 Clark 發(fā)明的酶電極。近些年來生化傳感器的研究與發(fā)展更加迅速和深入，表現(xiàn)出了一些新特點，主要有：
（ 1 ）在廣闊市場前景的驅(qū)動下，實用化、商品化的生化傳感器與系統(tǒng)越來越多；
（ 2 ）微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)和納米技術(shù)不斷滲入到傳感技術(shù)領(lǐng)域，微型化、集成化和多功能化的生化傳感器進(jìn)入全面深入研究開發(fā)時期；
（ 3 ） 隨著計算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，一種具有信息檢測、信號處理、信息記憶、邏輯思維與判斷功能的智能靈巧型生化傳感系統(tǒng)開始出現(xiàn)；
（ 4 ） 自從上世紀(jì) 80 年代末提出人類基因組計劃以來，以芯片化為結(jié)構(gòu)特征，以系統(tǒng)集成為最終目標(biāo)的各種新型的生化微系統(tǒng)（包括微陣列基因芯片、微流體生物芯片等）應(yīng)運而生，把 生化傳感器的研究推進(jìn)到一個前所未有的嶄新階段。

下面將就這些特點作些簡要介紹。

二、生化傳感器的商品化、實用化

血糖傳感器是生物傳感器中最先商品化和實用化的一種。自從 1990 年英國首先研制成功了一種用于糖尿病人自我檢測血糖濃度的葡萄糖酶生物傳感器之后，這種傳感器在制造中采用了絲網(wǎng)印刷技術(shù)印制電極和酶層，已實現(xiàn)了大批量 生產(chǎn)；這項研究在我國也獲得成功，并已商品化、產(chǎn)業(yè)化。除此以外，能快速分析葡萄糖、谷氨酸、乳酸、乳糖、半乳糖的多功能生物傳感器以及測定生物肌體內(nèi)三 磷酸腺苷（ ATP ） 變化的新鮮度傳感器也都已得到實用。圖 1 所示為一種小型血糖測試儀。

近些年來無標(biāo)記檢測方法得到迅速發(fā)展，它是直接利用抗原與抗體反應(yīng)的生成物所引起物理、化學(xué)參數(shù)變化來檢測的。這種無標(biāo)記檢測不僅操作簡化，而且可以實 時、在線檢測，光、聲、電、熱等多種敏感元件都可以作為這種生物傳感器的轉(zhuǎn)換元件，如表面等離子體諧振 SPR （ Surface Plasmon Resonance ）、橢圓偏振光 EPL （ Ellipsometry and Polarized Light ）、光尋址電位傳感器 LAPS （ Light Addressable Potentionmetric Sensor ）、離子敏場效應(yīng)晶體管 ISFET （ Ion Sensitive Field Effect Transistor ）、表面聲波 SAW （ Surface Acoustic Wave ） 和石英晶振微天平 QCM （ Quartz Crystal Microbalance ） 等。這里特別要指出的是近些年表面等離子體諧振（ SPR ）生物傳感器得到迅速的發(fā)展和實際應(yīng)用。

表面等離子體諧振生物傳感器是利用固態(tài)表面上生物敏感膜的親和反應(yīng)檢測光學(xué)參數(shù)變化的一種具有高靈敏、快速、穩(wěn)定的生物傳感器。檢測時，樣品不需要標(biāo)記， 可以直接、實時、原位地檢測，且需要量少；其可以監(jiān)測吸附過程的連續(xù)反應(yīng)，監(jiān)測可逆性程度，也可以詳盡地檢測生物分子相互作用的動力學(xué)過程。 SPR 分析技術(shù)的出現(xiàn)，大大加快和優(yōu)化了免疫測定過程。幾十年來， DNA 和蛋白質(zhì)之間相互作用的反應(yīng)動力學(xué)測定一直沒有簡便快捷的方法，而 SPR 技術(shù)解決了這一難題。現(xiàn)今，瑞典 Phamacia 公司的 Biacore 系列產(chǎn)品已占據(jù)國際市場主導(dǎo)地位，英國的 Iasys 公司、美國 TI 公司以及日本、德國也都有自己的產(chǎn)品。

中科院傳感技術(shù)國家重點實驗室自行設(shè)計研制的諧振角調(diào)制型 SPR-2000 生物傳感器，性能穩(wěn)定，特點突出，調(diào)制范圍寬（ 40