发展中的生化传感器

关键词：生化传感器；商品化；微型化；集成化；智能化；生物芯片

中图分类号： TP212.3/TP212.2 文献标识码 : Ａ

一、引言

生化传感器是指能感应（或响应）生物、化学量，并按一定规律将其转换成可用信号（包括电信号、光信号等）输出的器件或装置。它一般由两部分组成，其一是生 化分子识别元件（感受器），由具有对生化分子识别能力的敏感材料（如由电活性物质、半导体材料等构成的化学敏感膜和由酶、微生物、 DNA 等形成的生物敏感膜）组成；其二是信号转换器（换能器），主要是由电化学或光学检测元件（如电流、电位测量电极，离子敏场效应晶体管，压电晶体等）。然 而，随着当前各种新材料、新原理和新技术的不断发展，特别是微电子机械系统 (Micro electro mechanical system ， MEMS) 技术和生物芯片技术的出现，目前生化传感器的概念已经跳出了原来狭义的圈子，扩展为以微型化、集成化、智能化和芯片化为特征的生化微系统。

生化传感器已经经历了一段较长的发展历程，最早的化学传感器可以追溯到 100 多年前的 H + 离子选择性电极，而生物传感器也可以追溯到上个世纪 60 年代英国人 Clark 发明的酶电极。近些年来生化传感器的研究与发展更加迅速和深入，表现出了一些新特点，主要有：
（ 1 ）在广阔市场前景的驱动下，实用化、商品化的生化传感器与系统越来越多；
（ 2 ）微电子机械系统技术和纳米技术不断渗入到传感技术领域，微型化、集成化和多功能化的生化传感器进入全面深入研究开发时期；
（ 3 ） 随着计算机技术的广泛应用，一种具有信息检测、信号处理、信息记忆、逻辑思维与判断功能的智能灵巧型生化传感系统开始出现；
（ 4 ） 自从上世纪 80 年代末提出人类基因组计划以来，以芯片化为结构特征，以系统集成为最终目标的各种新型的生化微系统（包括微阵列基因芯片、微流体生物芯片等）应运而生，把 生化传感器的研究推进到一个前所未有的崭新阶段。

下面将就这些特点作些简要介绍。

二、生化传感器的商品化、实用化

血糖传感器是生物传感器中最先商品化和实用化的一种。自从 1990 年英国首先研制成功了一种用于糖尿病人自我检测血糖浓度的葡萄糖酶生物传感器之后，这种传感器在制造中采用了丝网印刷技术印制电极和酶层，已实现了大批量 生产；这项研究在我国也获得成功，并已商品化、产业化。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传感器以及测定生物肌体内三 磷酸腺苷（ ATP ） 变化的新鲜度传感器也都已得到实用。图 1 所示为一种小型血糖测试仪。

近些年来无标记检测方法得到迅速发展，它是直接利用抗原与抗体反应的生成物所引起物理、化学参数变化来检测的。这种无标记检测不仅操作简化，而且可以实 时、在线检测，光、声、电、热等多种敏感元件都可以作为这种生物传感器的转换元件，如表面等离子体谐振 SPR （ Surface Plasmon Resonance ）、椭圆偏振光 EPL （ Ellipsometry and Polarized Light ）、光寻址电位传感器 LAPS （ Light Addressable Potentionmetric Sensor ）、离子敏场效应晶体管 ISFET （ Ion Sensitive Field Effect Transistor ）、表面声波 SAW （ Surface Acoustic Wave ） 和石英晶振微天平 QCM （ Quartz Crystal Microbalance ） 等。这里特别要指出的是近些年表面等离子体谐振（ SPR ）生物传感器得到迅速的发展和实际应用。

表面等离子体谐振生物传感器是利用固态表面上生物敏感膜的亲和反应检测光学参数变化的一种具有高灵敏、快速、稳定的生物传感器。检测时，样品不需要标记， 可以直接、实时、原位地检测，且需要量少；其可以监测吸附过程的连续反应，监测可逆性程度，也可以详尽地检测生物分子相互作用的动力学过程。 SPR 分析技术的出现，大大加快和优化了免疫测定过程。几十年来， DNA 和蛋白质之间相互作用的反应动力学测定一直没有简便快捷的方法，而 SPR 技术解决了这一难题。现今，瑞典 Phamacia 公司的 Biacore 系列产品已占据国际市场主导地位，英国的 Iasys 公司、美国 TI 公司以及日本、德国也都有自己的产品。

中科院传感技术国家重点实验室自行设计研制的谐振角调制型 SPR-2000 生物传感器，性能稳定，特点突出，调制范围宽（ 40