生物传感器在医学上的应用

生物传感器在医学上的应用

[摘要]：生物传感器作为一项新兴的科学技术已应用于医学检验分析领域中, 是近来国际上医学检测技术的热点之一[1]。生物传感器具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、能在复杂体系中进行在线连续监测等特点[2]。本文综述了生传感器的基本概念、基本原理、特点、分类，并对国内外近几年光学、电化学和压电3种生物传感器及其应用。

[关键词] 生物传感器 医学 应用 发展前景

1、引言

传感器是一种可以获取并处理信息的特殊装置, 如人体的感觉器官就是一套完美的传感系统,通过眼、耳、皮肤来感知外界的光、声、温度、压力等物理信息, 通过鼻、舌感知气味和味道这样的化学刺激。而生物传感器是一类特殊的传感器, 它以生物活性单元( 如酶、抗体、核酸、细胞等) 作为生物敏感单元, 对目标测物具有高度选择性的检测器。生物传感器是一门由生物、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。因其具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、能在复杂的体系中进行在线连续监测, 特别是它的高度自动化、微型化与集成化的特点, 使其在近几十年获得蓬勃而迅速的发展。在国民经济的各个部门如食品、制药、化工、临床检验、生物医学、环境监测等方面有广泛的应用前景。特别是分子生物学与微电子学、光电子学、微细加工技术及纳米技术等新学科、新技术结合, 正改变着传统医学、环境科学、动植物学的面貌。生物传感器的研究开发, 已成为世界科技发展的新热点, 形成21 世纪新兴的高技术产业的重要组成部分, 具有重要的战略意义[2]。

2、生物传感综述

2. 1 生物传感器的基本概念[3]

生物传感器是用固定化的生物活性材料( 酶、蛋白质、DN A、抗体、抗原、生物膜等) 与物理化学换能器有机结合的一门交叉学科, 是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法, 也是物质分子水平的快速、微量分析方法。各种生物传感器有以下共同的结构: 包括一种或数种相关生物活性材料( 生物膜) 及能把生物活性表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器( 传感器) , 二者组合在一起, 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. 2 生物传感器的工作原理及特点[3]

生物传感器以生物化学和传感技术为基础, 其工作原理可用图1 表示: 待测物质经扩散作用进入分子识别元件( 生物活性材料) , 经分子识别, 与分子识别元件特异性结合, 发生生物化学反应, 产生的生物学信息通过相应的信号转换器转化为可以定量处理的光信号或电信号, 再经仪器的放大、处理和输出,即可达到分析检测的目的。生物传感器采用固定化生物活性物质作催化剂, 专一性强, 只对特定的底物起反应、分析速度快、灵敏度高、稳定性强、准确度高、操作简单, 容易实现自动分析、体积小, 可以实现连续在线监测、成本低, 容易进行批量生产等特点。

2. 3 生物传感器的分类[3]

1 根据生物传感器中生物分子识别元件上的敏感物质可分为: 微生物传感器、○

免疫传感器、组织传感器、细胞传感器、酶传感器、DNA 传感器等。

2根据生物传感器的信号转换器可分为: 电化学生物传感器、半导体生物传感○

器、热学生物传感器、光学生物传感器、声学生物传感器等。

3 根据生物传感器中生物敏感物质相互作用的类型可分为: 催化型生物传感○

器、亲和型生物传感器、代谢型生物传器。 2.4生物传感器在医学领域的应用现状[4] 2.4.1在临床检查中的应用 （１）实验室检查 1 血气分析和离子测量 ○

利用光纤传感器可以检测血液中氧饱和度、氧分压、二氧化碳分压、PH（Potential of hydrogen）值等，新型的光纤微型传感器可同时测定上述成分；离子传感器已经用于测量人体分泌和代谢液中的氢离子、钾离子、钠离子、氯离子等的浓度；Fujita等设计的超氧阴离子传感器可以准确测量体内的超氧阴离子。 ２ ○

葡萄糖测量

快速准确检测血糖浓度已经得以实现，如Khan等设计的一种敏感荧光体标记的葡萄糖／乳糖结合蛋白突变体葡萄糖传感器特别适合检测糖尿病患者血糖；Asif等设计以功能化氧化锌－纳米棒为基础的电化学葡萄糖传感器能够测量人脂质细胞内葡萄糖，时间仅需1ｓ，测得的葡萄糖浓度值范围比传统方法宽。 无创血糖检测技术是血糖检测方法发展的一个热点，目前国内外临床上基本都需要手指刺血或者静脉取血方法来检测葡萄糖浓度。这些创伤性采血方法给患者带来很大痛苦，同时增加了患者感染其它疾病的机会。Pickup等利用葡萄糖对特定波长红外光敏感的特点制成的葡萄糖传感器，初步实现了无创血糖检测，克服了采血法检测的缺点。 ３ ○

癌症早期诊断

在血液、尿液、体液里寻找肿瘤生物标记物是诊断肿瘤的有效方法之一，目前的生物传感器正从单一肿瘤标记物向多个发展。Suwansa－ard等通过自组装法将肿瘤相关抗原125（CA125）固定在金电极表面构建的电容型免疫传感器对CA125的检测限为0.05U／ｍｌ线性范围为0.05～40U／ｍｌ，重复性和再生性（达到48次）好。Domnanich等设计的免疫传感微阵列传感器可以平行检测黑色素瘤的五种肿瘤标志蛋白：预测和演进因子、血管皮生长因子、Ｃ反应蛋白及白细胞介素10等，该免疫传感器为肿瘤标志物的联合检测建立新的检测平台。对多种肿瘤标记物（在其浓度很低时）同时准确快速检测已经是影响患者有效治疗和康复的一个重要因素。 ４ ○

遗传物质测定

生物传感器可以帮助医生从ＤＮＡ、ＲＮＡ、蛋白质及其相互作用层次上了解疾病的发生、发展过程，有助于对疾病及时诊断和治疗，例如用于测定相应细菌和病毒ＤＮＡ 或者其它相关生物分子以诊断相应疾病。中国科学院生物物理研究所生物大分子国家重点实验室设计出一种新型生物传感器，可与生物芯片结合用于快速检测多种微小ＲＮＡ，特异性、灵敏性均较高，具有广阔的的应用前景。

(２) 电生理检查

常见的心电图、脑电图以及肌电图等均是运用能够把离子转换为电流的电极作为传感器的。美国科学家Zouridakis及其研究小组发明的光纤耦合激光二极管便携式脑外伤检测仪，为低收入患者及时发现颅脑损伤提供了新的选择，相关仪器的使用费用低于MRＩ或ＣＴ的１／１０。

(３) 影像检查

影像检查使疾病的表现更加直观，加深了人们对疾病的认识。 １ ○

超声波检查

超声波传感器广泛用于多种系统疾病的诊断。近几年来科学家发展了彩色编码多普勒系统，以不同颜色显示血流的方向，色泽的深浅代表血流的流速，可准确地确定血管是否通畅、狭窄、闭塞以及病变部位。新一代的Ｄ型超声波还能定量地测定管腔内血液的流量。实时超声弹性成像、超声造影、四维超声等技术的应用可以更清晰地显示甲状腺、乳腺、肝脏、肾脏等部位的肿瘤。 2 X射线和MR1检查 ○

佳能公司上市了一种拍摄后3ｓ即可显示图像的医用X射线传感器，极大提高了诊断效率；光纤CT是目前国外一种先进的医学诊断成像仪器，利用光纤CT可得到分辨率极高的图像，非常适合检查早期癌症；在MR1成像系统中，新一代的光纤温度传感器，使永磁体磁场温度稳定使MR1保持高清晰图像。 ３ ○

内镜检查

光导纤维图像传感器扩大了内窥镜应用范围，光导纤维柔软、自由度大、传输图像失真小、直径细，操作中不会引起患者的痛苦与不适。伴随一些新内镜技术不断出现，还能够显示普通高清晰度内镜无法显示的特殊微小结构。胶囊内镜（capusule endoscopy）被医学界称为21世纪内镜发展的革命与方向，是多种传感器集于一身的无创、微型检查装置［5］。其工作原理是：受检者口服内置摄像与信号传输装置的智能胶囊，借助消化道蠕动使之在消化道内运动并拍摄图像，医生利用体外的图像记录仪和影像工作站对其病情做出诊断。目前图像传感器应用正向微观领域纵深发展，已经能够对基因表达、受体、信号通道、凋亡、细胞外基质进行成像。

2.4.2 临床监测方面的应用

用于医学监测的传感器既可以安置在体外，也可以插入血管和植入体内组织。

指夹式光电容积血流脉搏波传感器可定量检测出人体心搏出量、外周阻力、血管弹性、血液黏性和微循环状况等方面的十几项血流指标参数。红外线传感器智能额式体温计测量体温只需１ｓ，同时有液晶数字显示、语音播报、随时检测环境温度变化并修正其读值的功能，较传统的水银体温计测量效率和安全性大为提高。Glaser等用超声波传感器非侵入性评估全髋关节置换术后的髋关节情况。