生物傳感器在臨床檢驗(yàn)中的應(yīng)用研究

胡希俅

（湖北中醫(yī)藥高等專(zhuān)科學(xué)校中藥系，湖北 荊州 434020）

臨床檢驗(yàn)是臨床醫(yī)學(xué)不斷發(fā)展的重要推動(dòng)力。在臨床醫(yī)學(xué)中，如何快速判斷與了解疾病類(lèi)型、特征等是研究的重要方向，因?yàn)橹挥腥绱?，才能及時(shí)制定出治療方案，從而讓患者盡快擺脫病痛折磨。傳統(tǒng)的臨床檢驗(yàn)主要采用 實(shí)驗(yàn)室方法 ，不僅操作煩瑣，而且不能快速獲得檢驗(yàn)結(jié)果，因此，難以滿(mǎn)足臨床醫(yī)學(xué)的要求。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，生物傳感器得到了開(kāi)發(fā)，在應(yīng)用于臨床檢驗(yàn)后，其對(duì)于被測(cè)樣品的高度敏感性與選擇性提升了臨床檢驗(yàn)的精確度，信號(hào)轉(zhuǎn)換的快速性促進(jìn)了臨床檢驗(yàn)效率的提高，再加上操作簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，生物傳感器在臨床檢驗(yàn)中的重要性進(jìn)一步提升。

1 生物傳感器綜合概述

生物傳感器是一種依托生物反應(yīng)接收信號(hào)的檢測(cè)裝置，具體來(lái)說(shuō)，生物傳感器是由兩部分組成，一部分為生物分子識(shí)別元件，其作用是識(shí)別檢測(cè)對(duì)象內(nèi)部的生物活性物質(zhì)；另一部分為信號(hào)轉(zhuǎn)換元件，其作用是將檢測(cè)到的生物信號(hào)轉(zhuǎn)化為其他能被辨識(shí)的信號(hào)，比如，電信號(hào)、光信號(hào)、熱信號(hào)、聲信號(hào)等。生物傳感的工作原理是首先被檢測(cè)樣品在經(jīng)過(guò)生物分子識(shí)別元件作用后會(huì)形成相對(duì)應(yīng)的生物學(xué)反應(yīng)信息，然后生物學(xué)反應(yīng)信息經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換元件處理形成電信號(hào)、光信號(hào)等，最后傳入二次儀表。

生物傳感器可以從三個(gè)層面進(jìn)行分類(lèi)：（1）基于生物分子識(shí)別元件類(lèi)型，可以分為酶生物傳感器、微生物傳感器、核酸生物傳感器、蛋白質(zhì)生物傳感器等。酶生物傳感器是利用酶的催化作用進(jìn)行檢測(cè)，由于酶對(duì)溫度、酸堿值等具有較高要求，因此，在使用時(shí)需要控制好反應(yīng)條件，否則，會(huì)影響酶的活性，造成檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確；核酸生物傳感器是利用堿基互補(bǔ)配對(duì)規(guī)律進(jìn)行檢測(cè)，主要檢測(cè)對(duì)象為核酸、蛋白質(zhì)等富含堿基的物質(zhì)；蛋白質(zhì)生物傳感器主要是利用抗體與抗原特異性反應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)，比如，在檢測(cè)人體血清蛋白時(shí)，可以使用以血清抗體為生物分子識(shí)別元件的傳感器；微生物傳感器主要是利用微生物代謝反應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)，如代謝產(chǎn)物、生化耗氧量等，都是重要的分析指標(biāo)。（2）基于信號(hào)轉(zhuǎn)換元件，可以分為電化學(xué)生物傳感器、光學(xué)生物傳感器、壓電晶體生物傳感器、半導(dǎo)體生物傳感器等。電化學(xué)生物傳感器是通過(guò)電極反應(yīng)將生物信號(hào)轉(zhuǎn)化為電化學(xué)信號(hào)，電極反應(yīng)效果主要受到電子傳遞影響，目前，納米材料依托對(duì)生物識(shí)別元件的高親和性、吸附性、催化性等提高了電子傳遞效率，成為電化學(xué)傳感器重點(diǎn)應(yīng)用對(duì)象；光學(xué)生物傳感器是利用光學(xué)反應(yīng)將生物信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，主要包括紫外可見(jiàn)吸收光譜、熒光光譜、拉曼光譜、等離子共振光譜等類(lèi)型；壓電晶體生物傳感器是利用壓電效應(yīng)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，在具體應(yīng)用中，主要是通過(guò)壓電晶體表面承載質(zhì)量變化促使其振蕩頻率發(fā)生改變引發(fā)壓電效應(yīng)；半導(dǎo)體生物傳感器是利用半導(dǎo)體特殊導(dǎo)電性質(zhì)完成信號(hào)轉(zhuǎn)換，不僅有著較高的檢測(cè)靈敏度，而且可以依托 放大器 原理實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大檢測(cè)。（3）基于檢測(cè)物與生物識(shí)別元件反應(yīng)特點(diǎn)，分為親和型生物傳感器、代謝型生物傳感器、催化型生物傳感器，其中親和型生物傳感器最為常用，但精度水平相比代謝型、催化型較低，而后兩種類(lèi)型對(duì)反應(yīng)條件較為 苛刻 。

2 生物傳感器在臨床檢驗(yàn)中的具體應(yīng)用

2.1 酶生物傳感器的應(yīng)用

在酶生物傳感器中，酶是生物分子識(shí)別元件的主要物質(zhì)，為了提升傳感器使用效率，會(huì)通過(guò)固定化酶技術(shù)將酶轉(zhuǎn)化為能夠反復(fù)和連續(xù)使用的酶。酶生物傳感器在臨床檢驗(yàn)中主要用于測(cè)定葡萄糖、乳酸、膽固醇等成分的含量，從而為制定臨床方案或臨床計(jì)劃提供依據(jù)。葡萄糖酶?jìng)鞲衅髦饕糜谥委熖悄虿?。糖尿病是由于人體代謝紊亂、內(nèi)分泌失調(diào)形成的疾病，目前，醫(yī)學(xué)上還沒(méi)有徹底治愈這一疾病的方法，因此，糖尿患者主要是通過(guò)維持體內(nèi)血糖穩(wěn)定來(lái)弱化病癥。葡萄糖酶?jìng)鞲衅骺梢杂糜跈z測(cè)患者體內(nèi)的葡萄糖水平，而后醫(yī)生會(huì)以此為依據(jù)為患者注射相應(yīng)的胰島素量，目前，葡萄糖酶?jìng)鞲衅饕呀?jīng)達(dá)到了能夠快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定、連續(xù)檢測(cè)血糖濃度的水平，這對(duì)于糖尿患者來(lái)說(shuō)是一個(gè)利好消息，能夠有效提升糖尿病治療效率。尿素傳感器可用于腎臟疾病的診斷和治療，比如，在治療慢性腎功能衰竭時(shí)需要不定期進(jìn)行透析，而要想確定透析時(shí)間與次數(shù)，必須使用尿素傳感器對(duì)尿素進(jìn)行定量檢驗(yàn)。除了葡萄糖酶?jìng)鞲衅髋c尿素傳感器外，臨床檢驗(yàn)中，使用的酶生物傳感器還有乳酸酶?jìng)鞲衅?、膽固醇傳感器等?/p>

2.2 微生物傳感器的應(yīng)用

微生物傳感器較之酶?jìng)鞲衅骶哂懈玫姆€(wěn)定性，并且微生物的制備成本較低，能夠在一定程度上減少臨床檢驗(yàn)投入。目前，微生物傳感器主要檢測(cè)對(duì)象包括糖、醇、酸、氨基酸等，但是，檢測(cè)效率會(huì)弱于酶生物傳感器，因此，并不具有太高的選擇性。另外，微生物傳感器使用過(guò)程中會(huì)因?yàn)槲⑸锎x產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)，從而使傳感器的檢測(cè)效果與使用期限受到影響，因此，目前微生物傳感器在臨床檢驗(yàn)中應(yīng)用范圍較小。大腸桿菌傳感器可以用于測(cè)定體內(nèi)大腸桿菌分布情況以及是否超標(biāo)。大腸桿菌是一種寄生于人體大腸和小腸內(nèi)的無(wú)害細(xì)菌，正常情況下，不僅不會(huì)對(duì)身體造成危害，還能對(duì)有毒有害病菌的繁殖起到一定的抑制作用，但是，當(dāng)機(jī)體免疫力下降后，大腸桿菌會(huì)因?yàn)檫^(guò)度繁殖開(kāi)始向腸道外部遷移，進(jìn)而引發(fā)膽囊炎、尿道炎、膀胱炎等疾病。臨床檢驗(yàn)中，使用大腸桿菌傳感器能夠快速了解體內(nèi)大腸桿菌的相關(guān)情況，并以此為基礎(chǔ)來(lái)判斷某種病癥是否由大腸桿菌引起。目前，臨床檢驗(yàn)中應(yīng)用較多的微生物傳感器還有油門(mén)螺旋桿菌傳感器、念球菌傳感器等。

2.3 蛋白質(zhì)生物傳感器的應(yīng)用

蛋白質(zhì)生物傳感器主要是利用抗原與抗體特異性反應(yīng)發(fā)揮作用。在實(shí)際應(yīng)用中，蛋白質(zhì)生物傳感器能夠?qū)⒖乖c抗體反應(yīng)信號(hào)記錄下來(lái)，而后通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析判斷反應(yīng)信號(hào)類(lèi)別，如果屬于特異性反應(yīng)，則能根據(jù)抗體屬性判斷抗原屬性，如果屬于非特異性反應(yīng)，則需要更換傳感器抗體感應(yīng)元件。因此，蛋白質(zhì)生物傳感器具有更好的檢測(cè)準(zhǔn)確性，并且當(dāng)前大部分抗體都能完成制備，因而其檢測(cè)范圍較為寬廣。甲胎蛋白傳感器主要用于檢測(cè)甲胎蛋白含量。甲胎蛋白在人體內(nèi)部發(fā)揮重要作用，比如，運(yùn)輸營(yíng)養(yǎng)、調(diào)節(jié)生長(zhǎng)因子等，而根據(jù)最新研究，發(fā)現(xiàn)腫瘤中的甲胎蛋白具有較高濃度，因而腫瘤檢測(cè)中通常會(huì)將甲胎蛋白含量作為檢測(cè)指標(biāo)。甲胎蛋白傳感器不僅可以通過(guò)檢測(cè)甲胎蛋白含量判斷腫瘤狀況，還能在治療過(guò)程中發(fā)揮監(jiān)測(cè)作用，預(yù)防腫瘤的惡性發(fā)展。甲胎蛋白傳感器的檢測(cè)濃度最低可達(dá)5ug/L，有利于提升臨床檢驗(yàn)的精確度。還有一種蛋白質(zhì)傳感器專(zhuān)門(mén)用于胰島素的檢測(cè)，檢測(cè)濃度最低可達(dá)1ug/L，可以更加精確地了解機(jī)體內(nèi)胰島素含量。這一傳感器通常與葡萄糖酶?jìng)鞲衅髋浜鲜褂?，能夠在糖尿病治療中發(fā)揮重要作用。糖尿病一般不是單獨(dú)出現(xiàn)，而是會(huì)伴隨其他病癥，因此在使用傳感器進(jìn)行檢測(cè)時(shí)需要科學(xué)選擇，比如，在治療糖尿病腎病患者時(shí)，會(huì)使用等離子共振蛋白質(zhì)傳感器，這種傳感器可以更精確地檢測(cè)患者尿樣中的蛋白含量，從而為臨床診斷與治療提供依據(jù)。

2.4 核酸生物傳感器的應(yīng)用

核酸傳感器的生物分子識(shí)別元件為游離的核酸分子，在進(jìn)入被檢測(cè)樣本內(nèi)部時(shí)，會(huì)通過(guò)堿基互補(bǔ)配對(duì)與樣本核酸核酸鏈結(jié)合，而后根據(jù)生成核酸鏈的排列順序做出判斷。DNA生物傳感器在臨床檢驗(yàn)中主要用于檢測(cè)結(jié)核桿菌、乙型肝炎病毒、艾滋病毒等一系列感染性疾病。在檢測(cè)過(guò)程中，傳感器可以在短時(shí)間內(nèi)通過(guò)堿基互補(bǔ)配對(duì)完成對(duì)檢測(cè)樣本相關(guān)信息的收集，不僅可以讓醫(yī)生判斷疾病類(lèi)型，還能通過(guò)呈現(xiàn)配對(duì)過(guò)程了解疾病形成時(shí)的每個(gè)階段，從而在治療時(shí)可以更好地“對(duì)癥下藥”。目前，我國(guó)研制的丙型肝炎病毒核酸生物傳感器已經(jīng)應(yīng)用于臨床檢驗(yàn)中，但由于成本較高，尚沒(méi)有得到廣泛推廣。核酸生物傳感器還具有一大優(yōu)勢(shì)，即可以對(duì)藥物治療過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如果可以應(yīng)用于臨床檢驗(yàn)中，則能使臨床治療效果更上一層樓。