生物傳感器簡介與醫學應用發展

范春梅

摘要：生物傳感器的研究與應用促進著醫學發展，本文介紹生物傳感器的概念、組成與工作原理、分類特點與應用，并闡述了生物傳感器的發展方向。

關鍵詞：生物傳感器；醫學

1 生物傳感器的基本概念[1]

生物傳感器是利用某些生物活性物質作為敏感材料（如DNA、抗體、酶、微生物、蛋白質等），將生物信息轉換成電信號以達到選擇性的識別和測定各種生物化學物質的傳感器。它是發展生物技術必不可少的一種先進的檢測與監控方法，也是在分子水平上對物質進行快速和微量分析的方法。

2 生物傳感器組成和工作原理

2.1 基本組成

2.2 生物傳感器的工作原理[1]

生物傳感器的工作原理可參照圖1：待測物質經擴散作用進入生物活性材料？（生物敏感材料），經分子識別而發生生物化學反應，產生的生物學信息如光、電、熱、音等通過相應的信號轉換器轉化為可定量處理的電信號，再經二次儀表放大處理并輸出，以電極測定其電流值或電壓值從而換算出被測物質的量或濃度。

3 生物傳感器的分類和特點

3.1 生物傳感器的分類

3.2 生物傳感器的特點[1][2]

1）操作簡單便捷，響應迅速，需用樣品用量少，能夠在較短的時間內實現連續的在線檢測；2）可直接進入生物體內，實現分析活體的目的；3）可循環利用，經過固定化處理的敏感材料其生物活性保持時間長，因而傳感器可以反復多次使用；4）測定范圍廣，根據生物反應的特異性和多樣性，測定各類生物物質的傳感器均能被制作生產；5）容易實現自動分析，樣品無需進行預處理，在測定的過程中也不需要加入其它試劑，測定過程容易掌握，傳感器自動生成數據；6）準確度高，一般相對誤差可控制在1%以內；7）成本低廉，與大型分析儀相比，傳感器與測定儀的價格相對較低，每例的測定價格最少甚至不到0.1元，所以推廣普及性強；8）噪音少，對被檢測物質具有極好的選擇性；9）獲取信息能力強，有的生物傳感器能可靠地指示微生物培養系統內的供氧狀況和副產物的產生，對于這些復雜多變的信息，就算是物理化學傳感器，也需要配合使用，綜合作用才能獲取。

4 生物傳感器在醫學領域的應用[3]

生物傳感器無論在基礎研究、臨床應用還是在生物醫藥方面都發揮著極其重要的作用，已經引起了醫學界的高度關注。如，酶傳感器應用于尿素、尿酸的檢測，酶活性、血糖膽固醇的檢測以及有機堿農藥、酚的檢測；免疫傳感器應用于探測抗原抗體反應，血型判定，多種血清學診斷等；酶免疫傳感器應用于妊娠診斷，超微量激素TSH檢測等；微生物傳感器應用于乳酸、抗生素的檢測，環境中致突變物質的篩選，BOD快速檢測等；組織切片傳感器具備免疫傳感器、酶傳感器等功能，應用于酶活性檢測，組織抗體抗原反應。

5 生物醫學傳感器的發展方向

5.1 發展集成化，功能化的傳感器

傳感器技術得到快速發展后其功能也相應得以轉變，首先，傳感器實現多種功能的復合，將單一功能的傳感器（即一個傳感器只能負責一種被測量如溫度的檢測）升級轉變為集成化傳感器（即可以負責多種被測量的檢測，如溫度和濕度）。其次，傳感器與半導體技術結合，例如將敏感器件（如力敏器件、溫敏器件、磁敏器件與氣敏器件等）與信號處理電路結合（如放大、模數轉換、檢測電路等）集成于一塊半導體芯片上。集成后的芯片具有體積小、精度高、靈敏、便宜等優點。

5.2 發展智能化傳感器

傳感器與計算機的有機結合，形成了智能傳感器基本組成結構，智能傳感器除了檢測物理、化學量的變化之外，還具有測量信號調理（如濾波、放大、A/D轉換等）、數據處理以及數據顯示等能力，它幾乎包括了儀器儀表的全部功能。智能傳感器不止能完成傳感和信號處理，還具有自補償、自校準、自診斷、自學習與自適應、數值處理、雙向通信、數字量輸出、自計算和處理功能。未來生物醫學設備將實現自動化，取代人力操作，用電子設備和計算機操作，為生物醫學指引重要的發展方向。

5.3 發展圖像傳感器

圖像傳感器是監控用相機，數碼相機，掃描儀等設備的核心部件，早在1969年，美國貝爾實驗室發明了CCD，近幾年快速延伸到生物醫學等領域。圖像傳感器能將物體的二維、三維或四維圖像轉換成電信號，如醫用顯微內窺鏡就是利用超小型CCD攝像機或利用光纖圖像傳輸內窺鏡，實現人體顯微手術，以減小手術刀口的尺寸，減小傷口感染的可能性，減輕病人的痛苦，同時還可進行實時遠程會診和現場教學。它具有成像質量高、體積小、重量輕、響應速度快、靈敏度高、噪聲低、壽命長、功耗低、殘留圖像少、尺寸精確、集成度高、不易受電磁干擾等長處。

5.4 發展量子傳感器

與傳統傳感器不同，量子傳感器具有超高靈敏度和微觀尺寸。量子傳感器的研究也進入了醫學領域，因為在身體的每個細胞中，量子革命可能將實現逐字掃視。2017年，馬普學會的研究人員研制出第一臺量子傳感器，該傳感器能夠掃描蛋白質。量子傳感器與生物傳感器有共同點，都是由敏感元件與信號轉換器構成，而在量子傳感器中占據核心地位的是敏感元件，它利用的是量子效應。所以量子效應在量子傳感器中的份量舉足輕重，相應地對敏感元件的要求也就越來越高，量子傳感器具有很高的研究價值和廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]姜運海.醫用傳感器[M].北京：科學出版社，1997，1

[2]于兆林.生物傳感器[M].上海.上海遠東出版社.1992，1

[3]李建國，陳飛，徐帥.傳感器在醫學領域的應用進展[J].生物醫學工程學雜志，2012，29（1）：197-200.