第一节　生物传感技术概述

生物传感器已广泛应用于医疗领域。在医学基础研究中，生物传感器可监测生物大分子间的相互作用；在临床应用中，研制最早并使用最广泛的生物传感器是酶电极传感器；在临床诊断中，通过使用基因、免疫和酶等生物传感器来检测人体体液中的各种化学成分，为医生的临床诊断提供科学依据。

生物传感器不仅给临床医生的工作带来帮助，同时也给临床护理工作带来便利，如高精度血糖分析仪就是一种采用固定化酶的生物传感分析仪，可以更好地帮助护士测量患者的血糖。还有的生物传感器不仅能测量患者的血糖，而且能测量患者身体内的水分、脂肪、血色素浓度等，对于护士快速掌握患者的整体身体情况提供帮助。

一、概述

生物医学传感技术是有关生物医学信息获取与生物医学信息处理相结合的一门学科。生物医学传感器是一种能对特定生物物质敏感并能将其特征参数转换为电信号进行检测处理的仪器，如图5-1所示。

在生物医学中，生物医学传感器主要用于研究生物分子间的相互作用，研发新药以及阐释生物通路。在医疗领域中，生物医学传感器主要用于生物测量、疾病预测、疾病诊断及利用基因筛选进行疾病易感分析方面的研究工作。生物医学传感器还广泛应用于环境检测，检测环境中所存在的特定过敏原或污染物，如蓖麻毒素、炭疽等。表5-1列出了常见医学传感器的种类和用途。

（一）物理传感器

此类传感器主要是利用材料的物理变化、物理性质和物理效应所制成的传感器。物理传感器主要作用是检测物理量，主要做法是把被测量的物理量转化为便于测量的能量形式的信号的装置，其输出的信号和输入的信号有确定的关系。此类传感器目前应用最广泛，如金属电阻应变式传感器、半导体压阻式传感器、压电式传感器、光电式传感器等。

（二）化学传感器

此类传感器主要是利用化学反应原理把化学成分、浓度利用化学性质与化学效应转换成电信号。这种传感器一般是通过离子选择性敏感膜将某些化学成分、含量、浓度等非电量转换成与之有对应关系的电学量。化学传感器的结构形式有两种：①分离型传感器：如离子传感器，其中液膜或固体膜具有接收器功能，膜完成电信号的转换功能，接收和转换部位相互分离，有利于对每种功能分别进行优化；②组装一体化传感器：如半导体气体传感器，其中分子俘获功能与电流转换功能在同一部位进行，有利于化学传感器的微型化。

（三）生物传感器

此类传感器主要是利用生物活性物质选择性识别来测定生化物质。这个传感器一般是利用酶催化某种生化反应或者通过某种特异性的结合，检测大分子有机物质的种类及含量，其由固定化的生物敏感材料制成的识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）、适当的理化换能器（如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等）及信号放大装置构成分析工具或系统，如酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、DNA传感器等。

二、生物医学传感器特点描述

在生物医学领域，生物医学传感器应该能够快速从小剂量未处理的样品中检测出需要的任何物质；应该是可处理的器件或者可重复利用的低成本结构；应需要尽可能少的训练；应该能够把电源、换能器和检测器集成在一个便携设备中；应该能够在外围条件中长期存储；应该能够得到样品中目标分析物的一个清晰的定量结果。生物医学传感器是实现床旁检测的优先选项，通过床旁检测可以简化操作，提高检测效率，促进临床诊断技术的发展。

（一）无标记性

在生物医学传感器和诊断分析中标记物通常为发色团、荧光或者酶，这些标记物有的是直接贴附在反应分子上，有的则是连接在后续报告分子上，用来放大结合信号。虽然这种使用标记物的检测方法仍然广泛应用于研究和医疗中，例如常见的酶联免疫吸附测定，但还是有很多去除这种标志的需求。标记过程不仅增加了检测的时间和成本，并在本质上影响了结合反应过程，而且使量化过程更加困难。当目标分析物未知时，标记检测不能进行，例如对分子库进行高通量筛选。无标记检测能够降低检测的时间和成本，对原始的结合反应过程提供实时、定量信息，而且具有便携式生物医学传感器对未处理样品进行检测的潜力。然而，由于没有标记物，这种检测方法对敏感性和芯片设计有着一定的要求，要保证分析的信号来自于分析物，而不是传感器的非特异性响应。

（二）敏感性和选择性

生物医学传感器最重要的特性就是对需要检测的目标物质具有敏感性和选择性。为能使用未处理的样品，如唾液、血液、尿液或者其他体液，需要检测的分析物一般都具有比较低的浓度，因为典型的生物样品具有复杂的生物微环境，其中含有细胞、蛋白、脂类和盐。即使在样品处理设备齐全的实验室，这个过程都是非常费力且耗时的，因此，对于使用无须处理的样品或者最简化处理的需求仍然存在。在临床上，诊断是治疗的前提，其中快速检测与分析最为重要，能显著影响治疗结果，并极大地减少治疗时间与费用。

（三）多路传输

在筛选与疾病诊断应用中，能对多个结合反应进行测试的能力是传感器的优势。疾病状态大多数都是通过多个生物标志物表现的，因此对疾病进行确诊需要对多个生物分子的浓度进行系统测量。除了单一疾病诊断外，多路传输生物医学传感器还可以一次性对多种疾病或病原体进行筛选，这种方法特别适合床旁检测。因为床旁检测的资源有限，对患者的检查次数会相应减少。在病原体检测中，需要多路传输检测对病原体生物进行有效识别。目前诊断主要是利用多种培养与生物化学测试方法，这些方法一般需要好几天才能有明确的结果。现在最准确的检测方法是聚合酶链反应，但是这种方法相对昂贵，限制了它的推广普及。除了基于核酸的病原体检测之外，许多病原体可以通过受体-配体结合以及抗原特异性进行表征。一个含有已知病原体结合配体和抗体的定量生物医学传感器可以从患者的样本中检测出病原体的存在。

在生物医学传感器的设计中，多路传输检测的特性需要具有不同功能以及不同匹配的多路传感器或多个敏感区域。使用DNA、蛋白和糖类的微阵列为高通量筛选提供了很好的应用选择，这种微阵列通常都是依赖于荧光读数。非荧光的微阵列方法则越来越多地使用等离子共振成像。除了具有高通量和无标记的特性之外，等离子共振成像还能够实现合反应的实时分析。