發(fā)展中的生化傳感器

關(guān)鍵詞：生化傳感器；商品化；微型化；集成化；智能化；生物芯片

中圖分類號(hào)： TP212.3/TP212.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 : Ａ

一、引言

生化傳感器是指能感應(yīng)（或響應(yīng)）生物、化學(xué)量，并按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)（包括電信號(hào)、光信號(hào)等）輸出的器件或裝置。它一般由兩部分組成，其一是生 化分子識(shí)別元件（感受器），由具有對(duì)生化分子識(shí)別能力的敏感材料（如由電活性物質(zhì)、半導(dǎo)體材料等構(gòu)成的化學(xué)敏感膜和由酶、微生物、 DNA 等形成的生物敏感膜）組成；其二是信號(hào)轉(zhuǎn)換器（換能器），主要是由電化學(xué)或光學(xué)檢測(cè)元件（如電流、電位測(cè)量電極，離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管，壓電晶體等）。然 而，隨著當(dāng)前各種新材料、新原理和新技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是微電子機(jī)械系統(tǒng) (Micro electro mechanical system ， MEMS) 技術(shù)和生物芯片技術(shù)的出現(xiàn)，目前生化傳感器的概念已經(jīng)跳出了原來(lái)狹義的圈子，擴(kuò)展為以微型化、集成化、智能化和芯片化為特征的生化微系統(tǒng)。

生化傳感器已經(jīng)經(jīng)歷了一段較長(zhǎng)的發(fā)展歷程，最早的化學(xué)傳感器可以追溯到 100 多年前的 H + 離子選擇性電極，而生物傳感器也可以追溯到上個(gè)世紀(jì) 60 年代英國(guó)人 Clark 發(fā)明的酶電極。近些年來(lái)生化傳感器的研究與發(fā)展更加迅速和深入，表現(xiàn)出了一些新特點(diǎn)，主要有：
（ 1 ）在廣闊市場(chǎng)前景的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)用化、商品化的生化傳感器與系統(tǒng)越來(lái)越多；
（ 2 ）微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)和納米技術(shù)不斷滲入到傳感技術(shù)領(lǐng)域，微型化、集成化和多功能化的生化傳感器進(jìn)入全面深入研究開發(fā)時(shí)期；
（ 3 ） 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，一種具有信息檢測(cè)、信號(hào)處理、信息記憶、邏輯思維與判斷功能的智能靈巧型生化傳感系統(tǒng)開始出現(xiàn)；
（ 4 ） 自從上世紀(jì) 80 年代末提出人類基因組計(jì)劃以來(lái)，以芯片化為結(jié)構(gòu)特征，以系統(tǒng)集成為最終目標(biāo)的各種新型的生化微系統(tǒng)（包括微陣列基因芯片、微流體生物芯片等）應(yīng)運(yùn)而生，把 生化傳感器的研究推進(jìn)到一個(gè)前所未有的嶄新階段。

下面將就這些特點(diǎn)作些簡(jiǎn)要介紹。

二、生化傳感器的商品化、實(shí)用化

血糖傳感器是生物傳感器中最先商品化和實(shí)用化的一種。自從 1990 年英國(guó)首先研制成功了一種用于糖尿病人自我檢測(cè)血糖濃度的葡萄糖酶生物傳感器之后，這種傳感器在制造中采用了絲網(wǎng)印刷技術(shù)印制電極和酶層，已實(shí)現(xiàn)了大批量 生產(chǎn)；這項(xiàng)研究在我國(guó)也獲得成功，并已商品化、產(chǎn)業(yè)化。除此以外，能快速分析葡萄糖、谷氨酸、乳酸、乳糖、半乳糖的多功能生物傳感器以及測(cè)定生物肌體內(nèi)三 磷酸腺苷（ ATP ） 變化的新鮮度傳感器也都已得到實(shí)用。圖 1 所示為一種小型血糖測(cè)試儀。

近些年來(lái)無(wú)標(biāo)記檢測(cè)方法得到迅速發(fā)展，它是直接利用抗原與抗體反應(yīng)的生成物所引起物理、化學(xué)參數(shù)變化來(lái)檢測(cè)的。這種無(wú)標(biāo)記檢測(cè)不僅操作簡(jiǎn)化，而且可以實(shí) 時(shí)、在線檢測(cè)，光、聲、電、熱等多種敏感元件都可以作為這種生物傳感器的轉(zhuǎn)換元件，如表面等離子體諧振 SPR （ Surface Plasmon Resonance ）、橢圓偏振光 EPL （ Ellipsometry and Polarized Light ）、光尋址電位傳感器 LAPS （ Light Addressable Potentionmetric Sensor ）、離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管 ISFET （ Ion Sensitive Field Effect Transistor ）、表面聲波 SAW （ Surface Acoustic Wave ） 和石英晶振微天平 QCM （ Quartz Crystal Microbalance ） 等。這里特別要指出的是近些年表面等離子體諧振（ SPR ）生物傳感器得到迅速的發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用。

表面等離子體諧振生物傳感器是利用固態(tài)表面上生物敏感膜的親和反應(yīng)檢測(cè)光學(xué)參數(shù)變化的一種具有高靈敏、快速、穩(wěn)定的生物傳感器。檢測(cè)時(shí)，樣品不需要標(biāo)記， 可以直接、實(shí)時(shí)、原位地檢測(cè)，且需要量少；其可以監(jiān)測(cè)吸附過(guò)程的連續(xù)反應(yīng)，監(jiān)測(cè)可逆性程度，也可以詳盡地檢測(cè)生物分子相互作用的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。 SPR 分析技術(shù)的出現(xiàn)，大大加快和優(yōu)化了免疫測(cè)定過(guò)程。幾十年來(lái)， DNA 和蛋白質(zhì)之間相互作用的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)測(cè)定一直沒有簡(jiǎn)便快捷的方法，而 SPR 技術(shù)解決了這一難題?，F(xiàn)今，瑞典 Phamacia 公司的 Biacore 系列產(chǎn)品已占據(jù)國(guó)際市場(chǎng)主導(dǎo)地位，英國(guó)的 Iasys 公司、美國(guó) TI 公司以及日本、德國(guó)也都有自己的產(chǎn)品。

中科院傳感技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)研制的諧振角調(diào)制型 SPR-2000 生物傳感器，性能穩(wěn)定，特點(diǎn)突出，調(diào)制范圍寬（ 40