生物医学传感技术

2生物医学传感技术

生物医学传感技术是以生物传感器为基础，以计算机技术、微电子技术、微加工技术、光导纤维和材料科学、仿生学等为支撑技术的一种高新技术，它可对生物体的信息实施远距离测量、体表测量、体内测量和细胞内测量，在无损或微损条件下，最快、最真实地获取生物体内的各种信息。限于篇幅，这里只重点介绍生物传感器的原理及方法。

●什么是生物传感器

生物传感器是传感器的一个分支，所谓传感器是能将一种不可直接测量的信号转换成可测量信号（如光信号、电信号、热信号等）的装置。传感器大体可分为物理传感器、化学传感器和生物传感器三大类。其中物理传感器是一类能将物理量（如速度、压力、液位、温度等）进行传感的装置。物理传感器的研究比较成熟，目前已有大量的产品，据介绍，一辆日产小汽车，就有100多种传感器，运用这些传感器可动态监测汽车在运行中的各种性能和各种参数。目前，全世界生产物理传感器的厂家有1 500多家，品种达2万多种，1993年的年产值为130亿美元，2000年，市场需要量是343亿美元。最近预测，从1995年起，世界物理传感器市场将以8.8%的年增长率持续稳定增长，当前，发达国家正在继续投入大量资金和人力，重点致力于新型物理传感器研究和开发，以求在未来的现代化战争与新技术革命中保持自己的军事实力与技术优势。另一类传感器是化学传感器。化学传感器是能传感化学参量（如离子的活度、溶液的浓度、pH、气体的分压以及一些特殊化学物质分子等）的传感器。化学传感器也有很多很成功的产品，如pH电极、各种离子选择性电极、各种气敏电极等。第三类传感器是生物传感器，生物传感的研究开发比较晚。20世纪40年代，人们开始运用酶作为分析试剂来检测特定的物质。酶是能选择性地催化特定底物反应的蛋白，具有特异的分子识别功能，因此酶是首选的对有机物分子呈特异性响应的敏感材料。1962年克拉克（Clark）最先提出利用酶的这种特性，与电极结合起来用以测定酶的底物。1976年厄普戴斯（Updice）和希克斯（Hicks）根据克拉克的设想，并采用酶固定化技术，把葡萄糖氧化酶固定在膜上，再和氧电极结合研制成功第一个酶电极——葡萄糖电极，这种葡萄糖电极就是一种生物传感器，它可以直接测量生物内血糖或尿糖的含量。生物体内除了酶以外，还有其他具有分子识别功能的物质，如抗原、抗体、激素、受体等。把它们固定在膜上也可以作为传感器的敏感元件。此外将活的细胞、细胞器以及动、植物组织的切片固定以后，也具有特异性响应的功能，可用于构建生物传感器。因此人们把这类固定有生物大分子或生物细胞、组织作为敏感元件的传感器称作为生物传感器。

●生物传感器的“感”与“传”

生物传感器的基本组成是传感膜和换能器，传感膜的主要作用是运用分子识别功能，从被测定体系捕捉所需要的信息，而换能器的作用是将传感膜所传送来的信息转换成可测量的其他信息加以检测。传感器的工作原理可简单地概括为“感”与“传”。“感”发生在传感膜与被测介质的界面上，而“传”发生在膜与后续换能装置界面上。传感器的传感膜是决定传感器功能好坏的关键。为了更好地了解生物传感器的工作原理，再将传感膜作一介绍。

（1）传感膜——一种奇异的膜。最奇异的膜是生物膜。生物膜的基本作用是隔离和形成界面，但又能使细胞与外界环境之间有不断的物质的交换，能量的传递和信息的交流。但三者不是平行和彼此孤立的，而是密切相关的。细胞靠细胞膜具有识别功能，细胞的识别功能存在于生命活动的各个方面。所谓细胞的识别功能是指细胞通过其表面的特殊受体与细胞外的信号物质分子有选择性地相互作用，从而导致细胞内一系列生理生化变化的过程称为细胞识别。细胞识别的全过程是在细胞膜上完成的，细胞识别给生物传感器研究的最大启示是人工模拟细胞膜用以作为传感膜这方面的深入研究，而形成了膜生物工程学。膜生物工程也称人工膜技术，是生物工程学的一个新分支。近年来，由于人工膜技术已从过去单纯作为生物膜模型的基础研究，逐步走向与生产应用相结合，特别是与生命科学和生物医学工程学的许多新技术（如单克隆抗体技术、淋巴细胞杂交瘤技术、DNA探针技术、生物传感技术）相结合，使它迅速发展成为一门独立的新兴生物医学工程技术。

膜生物工程是利用人工方法把细胞的磷脂（或人工合成的磷脂）在水溶液中制成一种类似于“人工细胞”球体，它可作为一种介质，把含有特殊功能的生物大分子包封或固定使之具有分子识别功能。人工制成的脂质膜与细胞膜一样，它们的特点是：①与生物体彼此相容，无毒性和免疫原性。在体内不产生免疫排斥。②可生物降解不在体内积累。③可以制成纳米级的超薄膜。④可以带有不同表面电荷和各种不同的功能基因，因而可以与各种生物大分子进行交联并使膜具有分子识别功能。⑤具有较好的稳定性和一定的机械强度，与基体有强的附着能力。

另一种人工膜是LB膜。在“气—液”两相界面所形成的单分子层称之为Langmir膜，通过单分子层所形成的多层组合膜称之为Langmir-Biogett膜，简称为LB膜。LB膜的成膜理论不断完善，实验手段和方法在不断改进。1970年后，LB膜走向应用研究阶段。现在LB膜作为一种主要“纳技术”手段，已在分子电子学、仿生学和传感技术领域获得了广泛应用，可以预见，LB膜技术在未来的生命科学领域将获得更广泛的应用。

LB膜能获得如此广泛的应用，是由于它本身的固有的特点决定的。①LB膜的厚度可以精确控制，精度达纳米级。②能在常温下成膜。③膜内的分子排列有序且致密。④同生物结构极为相似，是仿生膜的理想模型。⑤LB膜具有极好的生物相容性，是构建生物传感膜的最好材料。⑥可将功能生物大分子固定在LB膜上，从而进行任意的分子组合设计，制备具有特殊功能的分子体系。迄今为止，LB膜是唯一能在分子水平实现“功能体系”组装的技术。同传统的旋转涂膜法及真空沉积法相比，LB膜的主要特点是其厚度可以精确控制。以LB膜作为生物传感器的传感膜，可望对传感器的响应时间及检测下限有一个较大的改进。利用不同功能的蛋白质分子组装到LB膜分子体系中，可以做成各种各样的用于底物测量的酶生物传感器，如葡萄糖传感器、尿素传感器、乳酸传感器、ATP（腺苷三碱酸）传感器等，如果将抗原体或抗体分子组装在LB膜上，就可以设计成功对相应抗体或抗原体有特异响应的免疫传感器。免疫传感器不仅将复杂的免疫分析传感技术化，而且可以进行在体免疫功能探测，将为分子免疫学研究提供一种更有效的手段。近年来，已开始将DNA探针组装到LB膜分子体系。由此而构成的敏感膜对相应DNA片断有特异性响应，从而可设计和构建基因传感器。这种传感器将繁锁的核酸分子杂交操作传感技术化，是基因工程、遗传工程研究的主要武器。由于微电子技术和微加工技术的进步，可以加工成超微的基因传感器，这种传感器可以直接进入到活细胞内探测DNA的结构，探测基因突变、肿瘤基因、易感基因等，将有助于探明基因在生命过程中的调控机理，为进一步提示生命的奥妙提供强有力的武器。

（2）换能器——信号的魔术师。生物传感器的另一个基本组成单元是换能器。传感膜通过分子识别，对被测体系有特异性响应，从测量体系中获得信息，而换能器的功能是将来自传感膜的次级信号转换成输出信号。高质量的传感器既要有高特异的传感膜，又要有高灵敏的换能器，两者既有明确的分工又要彼此协调工作。根据被测物与敏感膜相互作用性质和传感器的预期用途，常用的换能器有以下几种：一是电极型。这是一类可将待测化学成分转变为电流或电位信号的换能器；二是光换能器。由于很多的光学性质如反射、折射、散射、干涉等都可以作为换能器设计的依据，即可以将被测体系中酶的活性变化、抗原—抗体复合物的形成、DNA分子杂效等生物学、分子生物学信息转换成各种光学性质的变化，使得光学换能器的研究出现了空前繁荣的局面。有识之士都赞同这样一种看法，即现有各种传感器都可以光学技术来实现，光换能器的生命力，还在于它具有下述优点：①抗干扰能力强，以光波作为换能器媒体，可克服环境中的电磁干扰。②易于微型化。以光导纤维和微光管组成的换能器可加工成微型和超微型，这些可直接进入活细胞内进行探测。③灵敏度高。单个光子即可进行有效的计数和转换。④便于遥测、遥感。可实现有线遥测和无线遥感。三是声表面波（SAW）。SAW代表了以声波为媒体的换能器。SAW换能器具有如下优点：①可在兆赫频率区域工作，达到高分辨率和高灵敏度。②SAW换能器可制作在硅片上，与集成技术兼容。③容易与敏感膜相耦合。④具有膜/数转换功能，直接给出数字输出。⑤适用性强，使用范围宽。四是热换能器。因为几乎所有的生化反应都是放热的，量热可以成为设计换能器的基础。从理论上讲量热器具有普适性的优点，但测热容易引起漏热而产生误差，且热换能器一般响应时间较长，因此这种传感器未能引起更多人的重视。