生物傳感器簡介與醫(yī)學(xué)應(yīng)用發(fā)展

范春梅

摘要：生物傳感器的研究與應(yīng)用促進(jìn)著醫(yī)學(xué)發(fā)展，本文介紹生物傳感器的概念、組成與工作原理、分類特點(diǎn)與應(yīng)用，并闡述了生物傳感器的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：生物傳感器；醫(yī)學(xué)

1 生物傳感器的基本概念[1]

生物傳感器是利用某些生物活性物質(zhì)作為敏感材料（如DNA、抗體、酶、微生物、蛋白質(zhì)等），將生物信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)以達(dá)到選擇性的識(shí)別和測定各種生物化學(xué)物質(zhì)的傳感器。它是發(fā)展生物技術(shù)必不可少的一種先進(jìn)的檢測與監(jiān)控方法，也是在分子水平上對(duì)物質(zhì)進(jìn)行快速和微量分析的方法。

2 生物傳感器組成和工作原理

2.1 基本組成

2.2 生物傳感器的工作原理[1]

生物傳感器的工作原理可參照?qǐng)D1：待測物質(zhì)經(jīng)擴(kuò)散作用進(jìn)入生物活性材料？（生物敏感材料），經(jīng)分子識(shí)別而發(fā)生生物化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的生物學(xué)信息如光、電、熱、音等通過相應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為可定量處理的電信號(hào)，再經(jīng)二次儀表放大處理并輸出，以電極測定其電流值或電壓值從而換算出被測物質(zhì)的量或濃度。

3 生物傳感器的分類和特點(diǎn)

3.1 生物傳感器的分類

3.2 生物傳感器的特點(diǎn)[1][2]

1）操作簡單便捷，響應(yīng)迅速，需用樣品用量少，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)的在線檢測；2）可直接進(jìn)入生物體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)分析活體的目的；3）可循環(huán)利用，經(jīng)過固定化處理的敏感材料其生物活性保持時(shí)間長，因而傳感器可以反復(fù)多次使用；4）測定范圍廣，根據(jù)生物反應(yīng)的特異性和多樣性，測定各類生物物質(zhì)的傳感器均能被制作生產(chǎn)；5）容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析，樣品無需進(jìn)行預(yù)處理，在測定的過程中也不需要加入其它試劑，測定過程容易掌握，傳感器自動(dòng)生成數(shù)據(jù)；6）準(zhǔn)確度高，一般相對(duì)誤差可控制在1%以內(nèi)；7）成本低廉，與大型分析儀相比，傳感器與測定儀的價(jià)格相對(duì)較低，每例的測定價(jià)格最少甚至不到0.1元，所以推廣普及性強(qiáng)；8）噪音少，對(duì)被檢測物質(zhì)具有極好的選擇性；9）獲取信息能力強(qiáng)，有的生物傳感器能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，對(duì)于這些復(fù)雜多變的信息，就算是物理化學(xué)傳感器，也需要配合使用，綜合作用才能獲取。

4 生物傳感器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用[3]

生物傳感器無論在基礎(chǔ)研究、臨床應(yīng)用還是在生物醫(yī)藥方面都發(fā)揮著極其重要的作用，已經(jīng)引起了醫(yī)學(xué)界的高度關(guān)注。如，酶傳感器應(yīng)用于尿素、尿酸的檢測，酶活性、血糖膽固醇的檢測以及有機(jī)堿農(nóng)藥、酚的檢測；免疫傳感器應(yīng)用于探測抗原抗體反應(yīng)，血型判定，多種血清學(xué)診斷等；酶免疫傳感器應(yīng)用于妊娠診斷，超微量激素TSH檢測等；微生物傳感器應(yīng)用于乳酸、抗生素的檢測，環(huán)境中致突變物質(zhì)的篩選，BOD快速檢測等；組織切片傳感器具備免疫傳感器、酶傳感器等功能，應(yīng)用于酶活性檢測，組織抗體抗原反應(yīng)。

5 生物醫(yī)學(xué)傳感器的發(fā)展方向

5.1 發(fā)展集成化，功能化的傳感器

傳感器技術(shù)得到快速發(fā)展后其功能也相應(yīng)得以轉(zhuǎn)變，首先，傳感器實(shí)現(xiàn)多種功能的復(fù)合，將單一功能的傳感器（即一個(gè)傳感器只能負(fù)責(zé)一種被測量如溫度的檢測）升級(jí)轉(zhuǎn)變?yōu)榧苫瘋鞲衅鳎纯梢载?fù)責(zé)多種被測量的檢測，如溫度和濕度）。其次，傳感器與半導(dǎo)體技術(shù)結(jié)合，例如將敏感器件（如力敏器件、溫敏器件、磁敏器件與氣敏器件等）與信號(hào)處理電路結(jié)合（如放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、檢測電路等）集成于一塊半導(dǎo)體芯片上。集成后的芯片具有體積小、精度高、靈敏、便宜等優(yōu)點(diǎn)。

5.2 發(fā)展智能化傳感器

傳感器與計(jì)算機(jī)的有機(jī)結(jié)合，形成了智能傳感器基本組成結(jié)構(gòu)，智能傳感器除了檢測物理、化學(xué)量的變化之外，還具有測量信號(hào)調(diào)理（如濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換等）、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)顯示等能力，它幾乎包括了儀器儀表的全部功能。智能傳感器不止能完成傳感和信號(hào)處理，還具有自補(bǔ)償、自校準(zhǔn)、自診斷、自學(xué)習(xí)與自適應(yīng)、數(shù)值處理、雙向通信、數(shù)字量輸出、自計(jì)算和處理功能。未來生物醫(yī)學(xué)設(shè)備將實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，取代人力操作，用電子設(shè)備和計(jì)算機(jī)操作，為生物醫(yī)學(xué)指引重要的發(fā)展方向。

5.3 發(fā)展圖像傳感器

圖像傳感器是監(jiān)控用相機(jī)，數(shù)碼相機(jī)，掃描儀等設(shè)備的核心部件，早在1969年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了CCD，近幾年快速延伸到生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。圖像傳感器能將物體的二維、三維或四維圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，如醫(yī)用顯微內(nèi)窺鏡就是利用超小型CCD攝像機(jī)或利用光纖圖像傳輸內(nèi)窺鏡，實(shí)現(xiàn)人體顯微手術(shù)，以減小手術(shù)刀口的尺寸，減小傷口感染的可能性，減輕病人的痛苦，同時(shí)還可進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程會(huì)診和現(xiàn)場教學(xué)。它具有成像質(zhì)量高、體積小、重量輕、響應(yīng)速度快、靈敏度高、噪聲低、壽命長、功耗低、殘留圖像少、尺寸精確、集成度高、不易受電磁干擾等長處。

5.4 發(fā)展量子傳感器

與傳統(tǒng)傳感器不同，量子傳感器具有超高靈敏度和微觀尺寸。量子傳感器的研究也進(jìn)入了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，因?yàn)樵谏眢w的每個(gè)細(xì)胞中，量子革命可能將實(shí)現(xiàn)逐字掃視。2017年，馬普學(xué)會(huì)的研究人員研制出第一臺(tái)量子傳感器，該傳感器能夠掃描蛋白質(zhì)。量子傳感器與生物傳感器有共同點(diǎn)，都是由敏感元件與信號(hào)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，而在量子傳感器中占據(jù)核心地位的是敏感元件，它利用的是量子效應(yīng)。所以量子效應(yīng)在量子傳感器中的份量舉足輕重，相應(yīng)地對(duì)敏感元件的要求也就越來越高，量子傳感器具有很高的研究價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]姜運(yùn)海.醫(yī)用傳感器[M].北京：科學(xué)出版社，1997，1

[2]于兆林.生物傳感器[M].上海.上海遠(yuǎn)東出版社.1992，1

[3]李建國，陳飛，徐帥.傳感器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志，2012，29（1）：197-200.