生物傳感器在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

1、生物傳感器在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 摘要：生物傳感器作為一項(xiàng)新興的科學(xué)技術(shù)已應(yīng)用于醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)分析領(lǐng)域中, 是近來國際上醫(yī)學(xué)檢測(cè)技術(shù)的熱點(diǎn)之一1。生物傳感器具有選擇性好、靈敏度高、分析速度快、成本低、能在復(fù)雜體系中進(jìn)行在線連續(xù)監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)2。本文綜述了生傳感器的基本概念、基本原理、特點(diǎn)、分類，并對(duì)國內(nèi)外近幾年光學(xué)、電化學(xué)和壓電3種生物傳感器及其應(yīng)用。關(guān)鍵詞 生物傳感器 醫(yī)學(xué) 應(yīng)用 發(fā)展前景1、 引言傳感器是一種可以獲取并處理信息的特殊裝置, 如人體的感覺器官就是一套完美的傳感系統(tǒng),通過眼、耳、皮膚來感知外界的光、聲、溫度、壓力等物理信息, 通過鼻、舌感知?dú)馕逗臀兜肋@樣的化學(xué)刺激。而生物傳感器是一類特殊的傳感器

2、, 它以生物活性單元( 如酶、抗體、核酸、細(xì)胞等) 作為生物敏感單元, 對(duì)目標(biāo)測(cè)物具有高度選擇性的檢測(cè)器。生物傳感器是一門由生物、化學(xué)、物理、醫(yī)學(xué)、電子技術(shù)等多種學(xué)科互相滲透成長起來的高新技術(shù)。因其具有選擇性好、靈敏度高、分析速度快、成本低、能在復(fù)雜的體系中進(jìn)行在線連續(xù)監(jiān)測(cè), 特別是它的高度自動(dòng)化、微型化與集成化的特點(diǎn), 使其在近幾十年獲得蓬勃而迅速的發(fā)展。在國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門如食品、制藥、化工、臨床檢驗(yàn)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面有廣泛的應(yīng)用前景。特別是分子生物學(xué)與微電子學(xué)、光電子學(xué)、微細(xì)加工技術(shù)及納米技術(shù)等新學(xué)科、新技術(shù)結(jié)合, 正改變著傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、動(dòng)植物學(xué)的面貌。生物傳感器的研究開發(fā)

3、, 已成為世界科技發(fā)展的新熱點(diǎn), 形成21 世紀(jì)新興的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重要組成部分, 具有重要的戰(zhàn)略意義2。2、 生物傳感綜述2. 1 生物傳感器的基本概念3生物傳感器是用固定化的生物活性材料( 酶、蛋白質(zhì)、DN A、抗體、抗原、生物膜等) 與物理化學(xué)換能器有機(jī)結(jié)合的一門交叉學(xué)科, 是發(fā)展生物技術(shù)必不可少的一種先進(jìn)的檢測(cè)方法與監(jiān)控方法, 也是物質(zhì)分子水平的快速、微量分析方法。各種生物傳感器有以下共同的結(jié)構(gòu): 包括一種或數(shù)種相關(guān)生物活性材料( 生物膜) 及能把生物活性表達(dá)的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的物理或化學(xué)換能器( 傳感器) , 二者組合在一起, 用現(xiàn)代微電子和自動(dòng)化儀表技術(shù)進(jìn)行生物信號(hào)的再加工, 構(gòu)成各

4、種可以使用的生物傳感器分析裝置、儀器和系統(tǒng)。2. 2 生物傳感器的工作原理及特點(diǎn)3生物傳感器以生物化學(xué)和傳感技術(shù)為基礎(chǔ), 其工作原理可用圖1 表示: 待測(cè)物質(zhì)經(jīng)擴(kuò)散作用進(jìn)入分子識(shí)別元件( 生物活性材料) , 經(jīng)分子識(shí)別, 與分子識(shí)別元件特異性結(jié)合, 發(fā)生生物化學(xué)反應(yīng), 產(chǎn)生的生物學(xué)信息通過相應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為可以定量處理的光信號(hào)或電信號(hào), 再經(jīng)儀器的放大、處理和輸出,即可達(dá)到分析檢測(cè)的目的。生物傳感器采用固定化生物活性物質(zhì)作催化劑, 專一性強(qiáng), 只對(duì)特定的底物起反應(yīng)、分析速度快、靈敏度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、準(zhǔn)確度高、操作簡單, 容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析、體積小, 可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)在線監(jiān)測(cè)、成本低, 容易進(jìn)行批量

5、生產(chǎn)等特點(diǎn)。2. 3 生物傳感器的分類3根據(jù)生物傳感器中生物分子識(shí)別元件上的敏感物質(zhì)可分為: 微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器、細(xì)胞傳感器、酶傳感器、DNA 傳感器等。根據(jù)生物傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換器可分為: 電化學(xué)生物傳感器、半導(dǎo)體生物傳感器、熱學(xué)生物傳感器、光學(xué)生物傳感器、聲學(xué)生物傳感器等。 根據(jù)生物傳感器中生物敏感物質(zhì)相互作用的類型可分為: 催化型生物傳感器、親和型生物傳感器、代謝型生物傳器。2.4生物傳感器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀42.4.1在臨床檢查中的應(yīng)用（）實(shí)驗(yàn)室檢查 血?dú)夥治龊碗x子測(cè)量利用光纖傳感器可以檢測(cè)血液中氧飽和度、氧分壓、二氧化碳分壓、PH（Potential of hydr

6、ogen）值等，新型的光纖微型傳感器可同時(shí)測(cè)定上述成分；離子傳感器已經(jīng)用于測(cè)量人體分泌和代謝液中的氫離子、鉀離子、鈉離子、氯離子等的濃度；Fujita等設(shè)計(jì)的超氧陰離子傳感器可以準(zhǔn)確測(cè)量體內(nèi)的超氧陰離子。葡萄糖測(cè)量快速準(zhǔn)確檢測(cè)血糖濃度已經(jīng)得以實(shí)現(xiàn)，如Khan等設(shè)計(jì)的一種敏感熒光體標(biāo)記的葡萄糖乳糖結(jié)合蛋白突變體葡萄糖傳感器特別適合檢測(cè)糖尿病患者血糖；Asif等設(shè)計(jì)以功能化氧化鋅納米棒為基礎(chǔ)的電化學(xué)葡萄糖傳感器能夠測(cè)量人脂質(zhì)細(xì)胞內(nèi)葡萄糖，時(shí)間僅需1，測(cè)得的葡萄糖濃度值范圍比傳統(tǒng)方法寬。無創(chuàng)血糖檢測(cè)技術(shù)是血糖檢測(cè)方法發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)，目前國內(nèi)外臨床上基本都需要手指刺血或者靜脈取血方法來檢測(cè)葡萄糖濃度。

7、這些創(chuàng)傷性采血方法給患者帶來很大痛苦，同時(shí)增加了患者感染其它疾病的機(jī)會(huì)。Pickup等利用葡萄糖對(duì)特定波長紅外光敏感的特點(diǎn)制成的葡萄糖傳感器，初步實(shí)現(xiàn)了無創(chuàng)血糖檢測(cè)，克服了采血法檢測(cè)的缺點(diǎn)。癌癥早期診斷在血液、尿液、體液里尋找腫瘤生物標(biāo)記物是診斷腫瘤的有效方法之一，目前的生物傳感器正從單一腫瘤標(biāo)記物向多個(gè)發(fā)展。Suwansaard等通過自組裝法將腫瘤相關(guān)抗原125（CA125）固定在金電極表面構(gòu)建的電容型免疫傳感器對(duì)CA125的檢測(cè)限為0.05U線性范圍為0.0540U，重復(fù)性和再生性（達(dá)到48次）好。Domnanich等設(shè)計(jì)的免疫傳感微陣列傳感器可以平行檢測(cè)黑色素瘤的五種腫瘤標(biāo)志蛋白：預(yù)測(cè)和

8、演進(jìn)因子、血管皮生長因子、反應(yīng)蛋白及白細(xì)胞介素10等，該免疫傳感器為腫瘤標(biāo)志物的聯(lián)合檢測(cè)建立新的檢測(cè)平臺(tái)。對(duì)多種腫瘤標(biāo)記物（在其濃度很低時(shí)）同時(shí)準(zhǔn)確快速檢測(cè)已經(jīng)是影響患者有效治療和康復(fù)的一個(gè)重要因素。遺傳物質(zhì)測(cè)定生物傳感器可以幫助醫(yī)生從、蛋白質(zhì)及其相互作用層次上了解疾病的發(fā)生、發(fā)展過程，有助于對(duì)疾病及時(shí)診斷和治療，例如用于測(cè)定相應(yīng)細(xì)菌和病毒 或者其它相關(guān)生物分子以診斷相應(yīng)疾病。中國科學(xué)院生物物理研究所生物大分子國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)出一種新型生物傳感器，可與生物芯片結(jié)合用于快速檢測(cè)多種微小，特異性、靈敏性均較高，具有廣闊的的應(yīng)用前景。()電生理檢查常見的心電圖、腦電圖以及肌電圖等均是運(yùn)用能夠把離子

9、轉(zhuǎn)換為電流的電極作為傳感器的。美國科學(xué)家Zouridakis及其研究小組發(fā)明的光纖耦合激光二極管便攜式腦外傷檢測(cè)儀，為低收入患者及時(shí)發(fā)現(xiàn)顱腦損傷提供了新的選擇，相關(guān)儀器的使用費(fèi)用低于MR或的。()影像檢查影像檢查使疾病的表現(xiàn)更加直觀，加深了人們對(duì)疾病的認(rèn)識(shí)。超聲波檢查超聲波傳感器廣泛用于多種系統(tǒng)疾病的診斷。近幾年來科學(xué)家發(fā)展了彩色編碼多普勒系統(tǒng)，以不同顏色顯示血流的方向，色澤的深淺代表血流的流速，可準(zhǔn)確地確定血管是否通暢、狹窄、閉塞以及病變部位。新一代的型超聲波還能定量地測(cè)定管腔內(nèi)血液的流量。實(shí)時(shí)超聲彈性成像、超聲造影、四維超聲等技術(shù)的應(yīng)用可以更清晰地顯示甲狀腺、乳腺、肝臟、腎臟等部位的腫瘤。

10、 X射線和MR1檢查 佳能公司上市了一種拍攝后3即可顯示圖像的醫(yī)用X射線傳感器，極大提高了診斷效率；光纖CT是目前國外一種先進(jìn)的醫(yī)學(xué)診斷成像儀器，利用光纖CT可得到分辨率極高的圖像，非常適合檢查早期癌癥；在MR1成像系統(tǒng)中，新一代的光纖溫度傳感器，使永磁體磁場溫度穩(wěn)定使MR1保持高清晰圖像。內(nèi)鏡檢查光導(dǎo)纖維圖像傳感器擴(kuò)大了內(nèi)窺鏡應(yīng)用范圍，光導(dǎo)纖維柔軟、自由度大、傳輸圖像失真小、直徑細(xì)，操作中不會(huì)引起患者的痛苦與不適。伴隨一些新內(nèi)鏡技術(shù)不斷出現(xiàn)，還能夠顯示普通高清晰度內(nèi)鏡無法顯示的特殊微小結(jié)構(gòu)。膠囊內(nèi)鏡（capusule endoscopy）被醫(yī)學(xué)界稱為21世紀(jì)內(nèi)鏡發(fā)展的革命與方向，是多種傳感器

11、集于一身的無創(chuàng)、微型檢查裝置5。其工作原理是：受檢者口服內(nèi)置攝像與信號(hào)傳輸裝置的智能膠囊，借助消化道蠕動(dòng)使之在消化道內(nèi)運(yùn)動(dòng)并拍攝圖像，醫(yī)生利用體外的圖像記錄儀和影像工作站對(duì)其病情做出診斷。目前圖像傳感器應(yīng)用正向微觀領(lǐng)域縱深發(fā)展，已經(jīng)能夠?qū)虮磉_(dá)、受體、信號(hào)通道、凋亡、細(xì)胞外基質(zhì)進(jìn)行成像。2.4.2臨床監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用用于醫(yī)學(xué)監(jiān)測(cè)的傳感器既可以安置在體外，也可以插入血管和植入體內(nèi)組織。指夾式光電容積血流脈搏波傳感器可定量檢測(cè)出人體心搏出量、外周阻力、血管彈性、血液黏性和微循環(huán)狀況等方面的十幾項(xiàng)血流指標(biāo)參數(shù)。紅外線傳感器智能額式體溫計(jì)測(cè)量體溫只需，同時(shí)有液晶數(shù)字顯示、語音播報(bào)、隨時(shí)檢測(cè)環(huán)境溫度變化

12、并修正其讀值的功能，較傳統(tǒng)的水銀體溫計(jì)測(cè)量效率和安全性大為提高。Glaser等用超聲波傳感器非侵入性評(píng)估全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后的髖關(guān)節(jié)情況。Ferrara等設(shè)計(jì)的體內(nèi)移植物表面壓力傳感器，可以監(jiān)測(cè)移植物與身體的融合程度。Ohki等在腹主動(dòng)脈瘤血管內(nèi)修復(fù)過程中用一個(gè)無線壓力監(jiān)測(cè)傳感器系統(tǒng)來檢測(cè)和控制動(dòng)脈瘤內(nèi)壓，提高了手術(shù)的效果和增加了探測(cè)內(nèi)漏的安全性。Moore等設(shè)計(jì)的椎間盤壓力傳感器提高了對(duì)脊柱生物學(xué)機(jī)制和疾病的了解，為醫(yī)生提供了有價(jià)值的臨床和生理學(xué)資料?；凇半娮颖恰钡奶悄虿『魵饪焖賯鞲屑夹g(shù)使血糖監(jiān)測(cè)更加方便，減輕了糖尿患者的痛苦。2.4.3治療方面的應(yīng)用超聲波治療高強(qiáng)度聚焦超聲（high int

13、ensity focused ultrasound,HIFU）治療技術(shù)是一種新的局部無創(chuàng)治療手段。超聲波傳感器發(fā)射的超聲波穿過軟組織而聚焦到體內(nèi)的病變組織（靶點(diǎn)），使局部組織內(nèi)的溫度瞬間即可上升到65以上，導(dǎo)致蛋白變性及組織細(xì)胞凝固性壞死以破壞病灶，周圍超聲波通過的組織則沒有損傷；超聲波體外碎石原理是通過超聲波傳感器將體外沖擊波聚焦于結(jié)石后將其碎成泥砂狀，經(jīng)器官管道排出體外而達(dá)到治療目的；還可以用超聲波的機(jī)械按摩作用來治療身體慢性損傷性疾病等。放射治療X線傳感器及射線傳感器是X刀和刀必需部分。X刀和刀的射線從不同角度和方向照射進(jìn)人體并匯聚成焦點(diǎn)，產(chǎn)生很高的放射劑量摧毀病灶。X刀和刀在治療腦腫瘤

14、、腦血管畸形、腦功能性病變方面療效顯著，是當(dāng)前醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的尖端技術(shù)。心臟起搏器治療生理性心臟起搏器通過特殊的傳感器系統(tǒng)感知患者的身體活動(dòng)、呼吸次數(shù)和心電變化而自主調(diào)整自身的節(jié)律，通過微型電流傳感器激發(fā)心臟搏動(dòng)使之接近正常生理狀況，該型起搏器明顯改善了患者心臟功能和臨床癥狀，提高了預(yù)后質(zhì)量。糖尿病治療Cavalcanti等發(fā)明的葡萄糖納米機(jī)器人治療糖尿病方便有效，該機(jī)器人能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控血糖濃度并根據(jù)患者實(shí)際情況給予胰島素治療，使患者飲食和藥物治療相互平衡，生活方式更加健康和舒適。外科手術(shù)治療香港東區(qū)醫(yī)院成立了全球首個(gè)高清機(jī)器人系統(tǒng)綜合內(nèi)鏡微創(chuàng)手術(shù)室，機(jī)器人在多個(gè)傳感器系統(tǒng)的協(xié)同配合下為患者實(shí)施了多種

15、復(fù)雜的手術(shù)，手術(shù)創(chuàng)傷小、患者恢復(fù)快、住院時(shí)間短、并發(fā)癥少、費(fèi)用低，因而備受臨床外科醫(yī)生和患者的青睞。2.4.4疾病預(yù)防方面的應(yīng)用傳統(tǒng)檢測(cè)病原體方法如分離培養(yǎng)、免疫法、熒光顯微鏡法以及20世紀(jì)中后期發(fā)展的聚合酶鏈反應(yīng)法和酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)無法滿足快速檢測(cè)及基層普及要求。生物傳感器以其快速、靈敏、準(zhǔn)確、高效、成本低和便攜等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為近年來病原體檢測(cè)技術(shù)熱點(diǎn)之一?？焖偻瑫r(shí)多種病原體檢測(cè)是目前傳染病預(yù)防的主要特征。Arshak等設(shè)計(jì)的新型“電子鼻”可以同時(shí)用來測(cè)量食物中沙門菌屬、蠟樣芽胞桿菌、副溶血弧菌等。Nilssona等設(shè)計(jì)的病毒傳感器能夠快速準(zhǔn)確檢測(cè)流感病毒、等。Bisoffi等設(shè)計(jì)的病毒傳感

16、器能夠檢測(cè)出柯薩奇病毒、新諾瓦病毒、漢坦病毒、布尼亞病毒、負(fù)旋病毒。Zhang等用非標(biāo)記電化學(xué)生物傳感器列陣來測(cè)量人類免疫缺陷病毒（human immunodeficiency virus,HIV）寡聚核苷酸序列，能夠測(cè)量多種。Yuan等設(shè)計(jì)的一種化學(xué)傳感器能夠?qū)Χ喾N重金屬和普通離子進(jìn)行快速檢測(cè)，對(duì)預(yù)防重金屬離子中毒以及對(duì)重金屬中毒的診斷有著重要的意義。隨著檢測(cè)病原體技術(shù)的更新和改進(jìn)，人們能夠及時(shí)對(duì)傳染病作出有效的防治3、 展望生物傳感器簡易、快捷、價(jià)廉的獨(dú)特優(yōu)越性在各種醫(yī)學(xué)檢測(cè)診斷中已得到了初步體現(xiàn), 它在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景和巨大的潛在價(jià)值.可以預(yù)言，傳感器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用將更加廣泛。一方面，傳感器提高了疾病診斷的準(zhǔn)確性、治療的有效性和預(yù)防的可預(yù)見性，已經(jīng)成為促進(jìn)醫(yī)學(xué)發(fā)展的一個(gè)主要?jiǎng)恿ΑＡ硪环矫?，醫(yī)學(xué)的發(fā)展對(duì)傳感器的發(fā)展提出更高的要求，促進(jìn)了醫(yī)用傳感器的發(fā)展?？梢韵嘈?，傳感器將會(huì)給醫(yī)學(xué)界帶來巨大的變化，為廣大患者帶來更多的福音。4、 參考文獻(xiàn)1曾輝, 溫志立.生物傳