發展中的生化傳感器

關鍵詞：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： TP212.3/TP212.2 文獻標識碼 : Ａ

一、引言

生化傳感器是指能感應（或響應）生物、化學量，并按一定規律將其轉換成可用信號（包括電信號、光信號等）輸出的器件或裝置。它一般由兩部分組成，其一是生 化分子識別元件（感受器），由具有對生化分子識別能力的敏感材料（如由電活性物質、半導體材料等構成的化學敏感膜和由酶、微生物、 DNA 等形成的生物敏感膜）組成；其二是信號轉換器（換能器），主要是由電化學或光學檢測元件（如電流、電位測量電極，離子敏場效應晶體管，壓電晶體等）。然 而，隨著當前各種新材料、新原理和新技術的不斷發展，特別是微電子機械系統 (Micro electro mechanical system ， MEMS) 技術和生物芯片技術的出現，目前生化傳感器的概念已經跳出了原來狹義的圈子，擴展為以微型化、集成化、智能化和芯片化為特征的生化微系統。

生化傳感器已經經歷了一段較長的發展歷程，最早的化學傳感器可以追溯到 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世紀 60 年代英國人 Clark 發明的酶電極。近些年來生化傳感器的研究與發展更加迅速和深入，表現出了一些新特點，主要有：
（ 1 ）在廣闊市場前景的驅動下，實用化、商品化的生化傳感器與系統越來越多；
（ 2 ）微電子機械系統技術和納米技術不斷滲入到傳感技術領域，微型化、集成化和多功能化的生化傳感器進入全面深入研究開發時期；
（ 3 ） 隨著計算機技術的廣泛應用，一種具有信息檢測、信號處理、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開始出現；
（ 4 ） 自從上世紀 80 年代末提出人類基因組計劃以來，以芯片化為結構特征，以系統集成為最終目標的各種新型的生化微系統（包括微陣列基因芯片、微流體生物芯片等）應運而生，把 生化傳感器的研究推進到一個前所未有的嶄新階段。

下面將就這些特點作些簡要介紹。

二、生化傳感器的商品化、實用化

血糖傳感器是生物傳感器中最先商品化和實用化的一種。自從 1990 年英國首先研制成功了一種用于糖尿病人自我檢測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印刷技術印制電極和酶層，已實現了大批量 生產；這項研究在我國也獲得成功，并已商品化、產業化。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定生物肌體內三 磷酸腺苷（ ATP ） 變化的新鮮度傳感器也都已得到實用。圖 1 所示為一種小型血糖測試儀。

近些年來無標記檢測方法得到迅速發展，它是直接利用抗原與抗體反應的生成物所引起物理、化學參數變化來檢測的。這種無標記檢測不僅操作簡化，而且可以實 時、在線檢測，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 ）、離子敏場效應晶體管 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展和實際應用。

表面等離子體諧振生物傳感器是利用固態表面上生物敏感膜的親和反應檢測光學參數變化的一種具有高靈敏、快速、穩定的生物傳感器。檢測時，樣品不需要標記， 可以直接、實時、原位地檢測，且需要量少；其可以監測吸附過程的連續反應，監測可逆性程度，也可以詳盡地檢測生物分子相互作用的動力學過程。 SPR 分析技術的出現，大大加快和優化了免疫測定過程。幾十年來， DNA 和蛋白質之間相互作用的反應動力學測定一直沒有簡便快捷的方法，而 SPR 技術解決了這一難題。現今，瑞典 Phamacia 公司的 Biacore 系列產品已占據國際市場主導地位，英國的 Iasys 公司、美國 TI 公司以及日本、德國也都有自己的產品。

中科院傳感技術國家重點實驗室自行設計研制的諧振角調制型 SPR-2000 生物傳感器，性能穩定，特點突出，調制范圍寬（ 40