傳感器新技術在生物醫學中的應用

郭東睿

摘?要：傳感器應用于生物醫學，可以快速檢測人們的健康狀況和發病情況，提高人們的健康管理水平。本文概括性地介紹傳感器技術在生物醫學研究中的一些應用。

關鍵詞：傳感器;外腔激光檢測;癌癥檢測;石墨烯;蛋白質檢測;甲醛檢測，酒精檢測;精氨酸測定

1?緒論[1]

傳感器是一種檢測裝置，它與生物催化劑一起組成生物傳感器。生物催化劑能檢測到生物元素，傳感器能將生物催化劑和生物元素的組合事件轉換為可檢測的參數。生物催化劑可以是生物分子，如酶、DNA、RNA、代謝物、細胞、寡核苷酸等，傳感器可以有電化學、光學、壓電、聲學、量熱儀等各種類型。使用生物傳感器可以快速評估健康狀況、發病情況及其進展，并借助化學、醫學和納米技術的多學科結合幫助規劃許多疾病的治療。生物傳感器成本效益高、靈敏度高、速度快、使用方便，可批量生產服務于人們的健康。本文將簡要地介紹傳感器技術在生物醫學中的一些研究新進展。

2?多孔光子晶體外腔激光生物傳感器（ECL）[2]

美國伊利諾伊大學Qinglan?Huang等人報道了一種光子晶體（PC）生物傳感器的設計、制造和測試。該傳感器采用多孔高折射率TiO2介電膜，可在增強的表面積體積內固定化捕獲蛋白。這些表面積體積在空間上與共振電磁場的區域重疊，在這些重疊區域中，生物分子結合可以產生光子晶體諧振波長的最大變化。盡管傳感器結構具有納米級的孔隙率，但PC片具有窄帶和高效率的諧振反射，使其成為外腔激光器的波長可調元件。在大得多的固定化蛋白質與小分子相互作用的環境中，證明了多孔結構提供的生物傳感器信號比等效的非多孔結構大3.7倍，而外腔激光（ECL）檢測方法提供了檢測小分子結合引起的PC諧振波長的皮表尺度偏移的能力。這種多孔ECL在無標簽光學生物傳感器方面達到了創紀錄的高性能。

3?可用于癌癥檢測的基于量子點的微流體生物傳感器[3]

印度CSIR-國家物理實驗室的Aditya?Sharma?Ghrera等人報道了一種阻抗微流控核酸傳感器，該傳感器可用于量化慢性髓細胞性白血病（CML）特有的DNA序列。傳感器芯片是通過濕法化學蝕刻方法在玻璃襯底上的氧化錫（ITO）涂層上制備的，然后用聚二甲基硅氧烷（PDMS）微通道密封以便于流體控制，并利用Langmuir-Blodgett膜技術沉積硒化鎘量子點（QCdSe）對微流體芯片進行了改性。此外，QCdSe表面用特定DNA探針進行了功能化，用于CML檢測。采用這種微流體芯片，通過測量雜化界面電荷轉移阻力，可以對目標互補DNA濃度進行監測。緩沖液中互補DNA的存在顯著降低了界面的電導率，因為存在用于輸送氧化還原探針離子的電荷屏障。所報道的微流體DNA生物傳感器在10-15m至10-11m的濃度范圍內表現出改善的線性度。

4?高靈敏石墨烯生物傳感器[4]

石墨烯由于其超薄的結構，能夠與目標分子進行強的靜電耦合，并且具有超快的出色的電動流動性，因此在生物傳感設備中得到了很好的應用。然而，石墨烯表面的厚堆疊受體會中斷石墨烯和帶電生物分子之間的靜電擴散，從而降低石墨烯生物傳感器的靈敏度。韓國Sungkyunkwan?University的Ji?Eun?Kim等人通過肽蛋白感受器的單分子自組裝研究了一種高靈敏度石墨烯生物傳感器。沿著石墨烯的Bravais晶格，通過π-π相互作用，利用肽蛋白感受器實現了石墨烯通道的非共價功能。

5?一種帶有阻抗生物傳感器的微流體芯片[5]

越南科學技術學院的Tuan?Vu?Quoc和臺灣國立中正大學的Meng-Syuan?Wu等人研究設計并制作了一種低成本的蛋白質檢測生物芯片。在結隙處自組裝的金納米顆粒形成的納米斷裂被應用于離子富集和耗損，從而在微通道中發生電滲流動時形成捕獲區。基于鎖入放大器技術，實現了一種阻抗測量模塊，以測量檢測區域內被困蛋白在金電極上產生的抗體生長過程中的阻抗變化。阻抗測量結果證實了被捕獲蛋白質的存在。在10-100kHz的頻率范圍內測量，用作蛋白質存在前后檢測區域的可分辨阻抗剖面驗證了所提出系統的性能。

6?利用乙醇氧化酶檢測甲醛的光學生物傳感器[6]

印度尼西亞大學的A.Rachim等人成功地制備了一種以乙醇氧化酶（AOX）酶為基礎檢測水溶液中甲醛的新型簡易生物傳感器。乙醇氧化酶（AOX）固定在含有鉻離子的聚正丁丙烯酸酯-n-丙烯酰胺（NBA-NAS）膜上。用紫外可見光吸收光譜檢測，可以發現AOX和甲醛之間的化學反應產生了生色離子載體的顏色變化。A.Rachim等人主要研究了磷酸鹽緩沖溶液的濃度優化、響應時間、酶量和生物傳感器檢測范圍。研究結果表明，磷酸鈣溶液的最佳濃度為0.05M，pH值為7。最佳反應時間為3分鐘，生物傳感器酶的最佳單位為1單位/樣品，生物傳感器的檢測范圍為0.264mM，R2=0.9421。

7?一種非侵入性車載酒精生物傳感器[7]

加拿大多倫多大學的Yi?Jun?Liu等人應用基于激光的波長調制差分光熱輻射計（WM-DPTR）開發了一種非侵入式車載酒精生物傳感器。WM-DPTR具有前所未有的乙醇特異性和靈敏度，通過在中紅外乙醇吸收光譜的峰值和基線附近進行差異測量來抑制基線變化。生物傳感器信號校準曲線來自WM-DPTR理論以及從人體血清和皮膚擴散的乙醇溶液的測量。結果表明，基于WM-DPTR的校準酒精生物傳感器在0-100mg/dl的乙醇濃度范圍內可以達到較高的精度和準確度。高性能酒精生物傳感器可集成到點火聯鎖中，這些聯鎖可作為通用配件安裝在車輛中，以減少酒后駕車事件。

8?用于藥物中精氨酸測定的電導滴定生物傳感器[8]

烏克蘭國立基輔大學的O.V.Soldatkina等人研制了一種基于共固定化脲酶和精氨酸酶的新型生物傳感器，用于藥學中精氨酸的測定。他們首先對各項參數（精氨酸酶、脲酶和戊二醛濃度，孵育時間，緩沖離子強度，容量，pH和Mn2+濃度）進行了優化，然后得到了傳感器的主要分析特性——檢出限為-2.5μM，線性范圍為-2.5～500μM，對精氨酸的敏感性為13.4±2.4μS/mm，響應時間為-20s。此外，傳感器對精氨酸的選擇性與其它氨基酸的選擇性有關。所研制的生物傳感器已用于測定某些藥物中精氨酸的濃度，所獲得的結果與生產者宣稱的特征高度相關。

9?小結

專家們在多孔光子晶體外腔激光生物傳感器、用于癌癥檢測的微流體生物傳感器、高靈敏度石墨烯生物傳感器、用于蛋白質預濃縮和檢測的微流體芯片、光學生物傳感器、乙醇生物傳感器和測定藥物中精氨酸濃度的電導滴定生物傳感器等方面進行了諸多研究，其研究成果將有利于促進生物醫學的發展。

參考文獻：

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