生物傳感器在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

一、生物傳感器應(yīng)用前景廣闊
    
生物傳感器是一個(gè)非?；钴S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。生物傳感器是發(fā)展生物技術(shù)必不可少的一種先進(jìn)的檢測(cè)方法與監(jiān)控方法，也是物質(zhì)分子水平的快速、微量分析方法。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(lèi)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的基本方法。
    
21世紀(jì)將是生物經(jīng)濟(jì)時(shí)代。而生物傳感器則作為生物技術(shù)支撐及關(guān)鍵設(shè)備之一，也必然會(huì)得到極大的發(fā)展，成為生物技術(shù)發(fā)展中出現(xiàn)的新產(chǎn)業(yè)鏈，它們將進(jìn)一步與信息技術(shù)相結(jié)合，發(fā)展成為生物技術(shù)的數(shù)字工程。有人把21世紀(jì)稱為生命科學(xué)的世紀(jì)，也有人把21世紀(jì)稱為信息科學(xué)的世紀(jì)。在21世紀(jì)生物傳感器技術(shù)必將是介于信息和生物技術(shù)之間的新增長(zhǎng)點(diǎn)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的臨床診斷、工業(yè)控制、食品和藥物分析（包括生物藥物研究開(kāi)發(fā)）、環(huán)境保護(hù)以及生物技術(shù)、生物芯片等研究中有著廣泛的應(yīng)用前景。

二、生物傳感器的種類(lèi)
    
生物傳感器與其它傳感器的最大區(qū)別在于生物傳感器的信號(hào)檢測(cè)中含有敏感的生命物質(zhì)。這些敏感物質(zhì)有酶、微生物、動(dòng)植物組織、細(xì)胞器、抗原和抗體等。根據(jù)生物傳感器中分子識(shí)別元件即敏感元件可分為五類(lèi)：酶?jìng)鞲衅鳎╡nzymesensor），微生物傳感器（microbial sensor），細(xì)胞傳感器（organall sensor），組織傳感器（tis-sue sensor）和免疫傳感器（immunol  sensor）。生物傳感器中的信號(hào)轉(zhuǎn)換器與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器并沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別。例如:可以利用電化學(xué)電極、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、熱敏電阻、光電器件、聲學(xué)裝置等作為生物傳感器中的信號(hào)轉(zhuǎn)換器。據(jù)此又將傳感器分為生物電極（bioelectrode）傳感器，半導(dǎo)體生物傳感器（semiconduct biosensor），光生物傳感器（optical biosensor），熱生物傳感器（calorimetric biosensor），壓電晶體生物傳感器（piezoelectric  biosensor）等，換能器依次為電化學(xué)電極、半導(dǎo)體、光電轉(zhuǎn)換器、熱敏電阻、壓電晶體等。生物傳感器按照傳感器器件檢測(cè)的原理分類(lèi)，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。生物傳感器按照生物敏感物質(zhì)相互作用的類(lèi)型分類(lèi)，可分為親和型和代謝型兩種。也可根據(jù)所監(jiān)測(cè)的物理量、化學(xué)量或生物量而命名為熱傳感器、光傳感器、胰島素傳感器等。

三、生物傳感器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用
    
醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的生物傳感器發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。生物傳感技術(shù)不僅為基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究及臨床診斷提供了一種快速簡(jiǎn)便的新型方法，而且因?yàn)槠鋵?zhuān)一、靈敏、響應(yīng)快等特點(diǎn)，在軍事醫(yī)學(xué)方面，也具有廣闊的應(yīng)用前景。 在臨床醫(yī)學(xué)中，酶電極是最早研制且應(yīng)用最多的一種傳感器。利用具有不同生物特性的微生物代替酶，可制成微生物傳感器。在軍事醫(yī)學(xué)中，對(duì)生物毒素的及時(shí)快速檢測(cè)是防御生物武器的有效措施。生物傳感器已應(yīng)用于監(jiān)測(cè)多種細(xì)菌、病毒及其毒素。
    
1．藥物分析
    
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(guò)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(guò)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),這一改變可被實(shí)時(shí)檢測(cè)并記錄下來(lái)(這被稱之結(jié)合相)。如改讓緩沖液流過(guò)，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(lái)的金箔共振性質(zhì)改變就是解離相。
    
SPR生物傳感器是一種昂貴的生物傳感器分析儀，國(guó)內(nèi)只有少許有條件的實(shí)驗(yàn)室從國(guó)外購(gòu)進(jìn)，并以對(duì)外收費(fèi)的服務(wù)形式運(yùn)行。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。清華大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院電子研究所均自行研制了SPR生物傳感器。其中中國(guó)科學(xué)院電子研究所的產(chǎn)品配有小型流動(dòng)注入系統(tǒng)、溫控測(cè)試池及可批量制備的SPR生物傳感芯片。具有體積小、測(cè)定范圍寬、精度高、靈敏度高、功能完整、操作方便、可靠、耗材廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)，是一種創(chuàng)新性、實(shí)用化的現(xiàn)代科學(xué)儀器。目前，這種光、機(jī)、電一體化、智能化和實(shí)用化的SPR生化分析儀已提供幾家科研單位使用。
    
2．腫瘤監(jiān)測(cè)

英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)科學(xué)家研發(fā)了可用于檢測(cè)腫瘤蛋白以及耐藥性MASA細(xì)菌的微型生物傳感器。該系統(tǒng)利用一個(gè)回旋裝置來(lái)檢測(cè)，類(lèi)似導(dǎo)航系統(tǒng)和氣袋的原理。振蕩晶片的大小類(lèi)似于一顆塵埃尺寸，有望可使醫(yī)生診斷和監(jiān)測(cè)常見(jiàn)類(lèi)型的腫瘤，獲得最佳治療方案。該裝置可以鑒定腫瘤標(biāo)志物－蛋白以及其它腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生的豐度不同的生物分子。該小組下一步目標(biāo)是把檢測(cè)系統(tǒng)做成一個(gè)手持式系統(tǒng)，更加快速方便地檢測(cè)組織樣品。歐共體已經(jīng)撥款1200萬(wàn)歐元資金給該小組，以使該技術(shù)進(jìn)一步完善。

蘇格蘭Intermediary Technology Institutes計(jì)劃投資1億2千萬(wàn)英鎊發(fā)展“生物傳感器平臺(tái)”（Biosensor Platform）。作為將診斷和治療疾病結(jié)合在一起的新興療法，能夠在診斷的同時(shí)，提出適合不同病人的治療方案，可以降低疾病診斷和醫(yī)學(xué)臨床的費(fèi)用與復(fù)雜性，同時(shí)具備提供疾病發(fā)展和藥品療效成果的能力。目前該技術(shù)已被使用在某些乳癌的治療上，只需在事前做些特殊的測(cè)試，即可根據(jù)結(jié)果決定適合的療程。這個(gè)技術(shù)更被醫(yī)學(xué)界視為未來(lái)疾病療程的主流。
    
3．血糖分析儀

美國(guó)Cygnus公司正在開(kāi)發(fā)的手表式血糖監(jiān)測(cè)儀是一種連續(xù)的自動(dòng)血糖監(jiān)測(cè)裝置。在對(duì)其校準(zhǔn)之后，該裝置無(wú)疼痛地進(jìn)行監(jiān)測(cè)并顯示大量的血糖數(shù)據(jù)，可幫助糖尿病患者更好地控制其忽高忽低的血糖值。該裝置像一塊戴在腕部的手表，使用低電流無(wú)痛地將血糖抽取到自耗式經(jīng)皮透滲貼片(自動(dòng)傳感器)。該自動(dòng)傳感器內(nèi)置一個(gè)生物傳感器，安放在手表式血糖監(jiān)測(cè)儀的背面，緊貼在皮膚上。收集到的血糖在自動(dòng)傳感器內(nèi)引發(fā)電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電子。
高精度血糖分析儀是采用固定化酶的生物傳感分析儀。其分析精度可以達(dá)到0.5-2%，比家用保健類(lèi)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。
    
4.胰島素泵

胰島素泵又稱為持續(xù)胰島素輸注泵，是為模擬自身胰島素的生理性分泌，使血糖獲得理想的控制而設(shè)計(jì)的智能式輸注裝置。現(xiàn)有皮下型和植入型。目前這類(lèi)廣泛應(yīng)用的胰島素泵還是開(kāi)環(huán)式的，從嚴(yán)格的意義來(lái)說(shuō)，它只是一種智能式的注射裝置，但是它離不開(kāi)血糖的分析，況且，30多年來(lái)研制與血糖分析器偶聯(lián)的閉環(huán)式人工胰島的努力一直沒(méi)有停止，這種目標(biāo)終究會(huì)實(shí)現(xiàn)。

四、生物傳感器發(fā)展現(xiàn)狀
    
由于生物傳感器可以取代常規(guī)的化學(xué)分析方法，因此，它的出現(xiàn)可以說(shuō)是一場(chǎng)技術(shù)革命。為此，世界上一些科技發(fā)達(dá)的國(guó)家都把生物傳感器的研究作為生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)，投入了相當(dāng)大的人力、物力進(jìn)行研制開(kāi)發(fā)。目前，市場(chǎng)上出售的生物傳感器大多是第二代產(chǎn)品，它含有生物工程分子，能直接感知并測(cè)定出指定的物質(zhì)。第三代或第四代的生物傳感器的典型代表是把硅片與生命材料相結(jié)合制成的生物硅片。這種有機(jī)與無(wú)機(jī)相結(jié)合的生物硅片比傳統(tǒng)硅片的集成度要高幾百萬(wàn)倍，且在工作時(shí)不發(fā)熱或僅產(chǎn)生微熱。
    
我國(guó)生物傳感器的產(chǎn)業(yè)正處在發(fā)展階段，有較大經(jīng)濟(jì)潛力的項(xiàng)目主要是手掌型血糖分析儀及胰島素泵二類(lèi)產(chǎn)品。生產(chǎn)單位不多，都屬于中小型企業(yè)，但是行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈。與外資公司同類(lèi)產(chǎn)品相比較，技術(shù)上差距不大。我國(guó)在固定化酶生物傳感器研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用方面居國(guó)際領(lǐng)先水平，經(jīng)過(guò)15年發(fā)展已有許多應(yīng)用單位，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)影響大，產(chǎn)生了比較顯著的經(jīng)濟(jì)效益。但是作為一類(lèi)生物技術(shù)專(zhuān)用的檢測(cè)工具，其產(chǎn)業(yè)規(guī)模不大。固定化酶生物傳感分析儀的應(yīng)用，離不開(kāi)配套試劑盒供應(yīng)和持久的技術(shù)服務(wù)。 風(fēng)速傳感器相關(guān)文章:風(fēng)速傳感器原理