生物傳感器在臨床檢驗中的應(yīng)用研究

胡希俅

（湖北中醫(yī)藥高等專科學(xué)校中藥系，湖北 荊州 434020）

臨床檢驗是臨床醫(yī)學(xué)不斷發(fā)展的重要推動力。在臨床醫(yī)學(xué)中，如何快速判斷與了解疾病類型、特征等是研究的重要方向，因為只有如此，才能及時制定出治療方案，從而讓患者盡快擺脫病痛折磨。傳統(tǒng)的臨床檢驗主要采用 實驗室方法 ，不僅操作煩瑣，而且不能快速獲得檢驗結(jié)果，因此，難以滿足臨床醫(yī)學(xué)的要求。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，生物傳感器得到了開發(fā)，在應(yīng)用于臨床檢驗后，其對于被測樣品的高度敏感性與選擇性提升了臨床檢驗的精確度，信號轉(zhuǎn)換的快速性促進(jìn)了臨床檢驗效率的提高，再加上操作簡便的優(yōu)點，生物傳感器在臨床檢驗中的重要性進(jìn)一步提升。

1 生物傳感器綜合概述

生物傳感器是一種依托生物反應(yīng)接收信號的檢測裝置，具體來說，生物傳感器是由兩部分組成，一部分為生物分子識別元件，其作用是識別檢測對象內(nèi)部的生物活性物質(zhì)；另一部分為信號轉(zhuǎn)換元件，其作用是將檢測到的生物信號轉(zhuǎn)化為其他能被辨識的信號，比如，電信號、光信號、熱信號、聲信號等。生物傳感的工作原理是首先被檢測樣品在經(jīng)過生物分子識別元件作用后會形成相對應(yīng)的生物學(xué)反應(yīng)信息，然后生物學(xué)反應(yīng)信息經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換元件處理形成電信號、光信號等，最后傳入二次儀表。

生物傳感器可以從三個層面進(jìn)行分類：（1）基于生物分子識別元件類型，可以分為酶生物傳感器、微生物傳感器、核酸生物傳感器、蛋白質(zhì)生物傳感器等。酶生物傳感器是利用酶的催化作用進(jìn)行檢測，由于酶對溫度、酸堿值等具有較高要求，因此，在使用時需要控制好反應(yīng)條件，否則，會影響酶的活性，造成檢測結(jié)果不準(zhǔn)確；核酸生物傳感器是利用堿基互補配對規(guī)律進(jìn)行檢測，主要檢測對象為核酸、蛋白質(zhì)等富含堿基的物質(zhì)；蛋白質(zhì)生物傳感器主要是利用抗體與抗原特異性反應(yīng)進(jìn)行檢測，比如，在檢測人體血清蛋白時，可以使用以血清抗體為生物分子識別元件的傳感器；微生物傳感器主要是利用微生物代謝反應(yīng)進(jìn)行檢測，如代謝產(chǎn)物、生化耗氧量等，都是重要的分析指標(biāo)。（2）基于信號轉(zhuǎn)換元件，可以分為電化學(xué)生物傳感器、光學(xué)生物傳感器、壓電晶體生物傳感器、半導(dǎo)體生物傳感器等。電化學(xué)生物傳感器是通過電極反應(yīng)將生物信號轉(zhuǎn)化為電化學(xué)信號，電極反應(yīng)效果主要受到電子傳遞影響，目前，納米材料依托對生物識別元件的高親和性、吸附性、催化性等提高了電子傳遞效率，成為電化學(xué)傳感器重點應(yīng)用對象；光學(xué)生物傳感器是利用光學(xué)反應(yīng)將生物信號轉(zhuǎn)化為光信號，主要包括紫外可見吸收光譜、熒光光譜、拉曼光譜、等離子共振光譜等類型；壓電晶體生物傳感器是利用壓電效應(yīng)進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，在具體應(yīng)用中，主要是通過壓電晶體表面承載質(zhì)量變化促使其振蕩頻率發(fā)生改變引發(fā)壓電效應(yīng)；半導(dǎo)體生物傳感器是利用半導(dǎo)體特殊導(dǎo)電性質(zhì)完成信號轉(zhuǎn)換，不僅有著較高的檢測靈敏度，而且可以依托 放大器 原理實現(xiàn)信號放大檢測。（3）基于檢測物與生物識別元件反應(yīng)特點，分為親和型生物傳感器、代謝型生物傳感器、催化型生物傳感器，其中親和型生物傳感器最為常用，但精度水平相比代謝型、催化型較低，而后兩種類型對反應(yīng)條件較為 苛刻 。

2 生物傳感器在臨床檢驗中的具體應(yīng)用

2.1 酶生物傳感器的應(yīng)用

在酶生物傳感器中，酶是生物分子識別元件的主要物質(zhì)，為了提升傳感器使用效率，會通過固定化酶技術(shù)將酶轉(zhuǎn)化為能夠反復(fù)和連續(xù)使用的酶。酶生物傳感器在臨床檢驗中主要用于測定葡萄糖、乳酸、膽固醇等成分的含量，從而為制定臨床方案或臨床計劃提供依據(jù)。葡萄糖酶傳感器主要用于治療糖尿病。糖尿病是由于人體代謝紊亂、內(nèi)分泌失調(diào)形成的疾病，目前，醫(yī)學(xué)上還沒有徹底治愈這一疾病的方法，因此，糖尿患者主要是通過維持體內(nèi)血糖穩(wěn)定來弱化病癥。葡萄糖酶傳感器可以用于檢測患者體內(nèi)的葡萄糖水平，而后醫(yī)生會以此為依據(jù)為患者注射相應(yīng)的胰島素量，目前，葡萄糖酶傳感器已經(jīng)達(dá)到了能夠快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定、連續(xù)檢測血糖濃度的水平，這對于糖尿患者來說是一個利好消息，能夠有效提升糖尿病治療效率。尿素傳感器可用于腎臟疾病的診斷和治療，比如，在治療慢性腎功能衰竭時需要不定期進(jìn)行透析，而要想確定透析時間與次數(shù)，必須使用尿素傳感器對尿素進(jìn)行定量檢驗。除了葡萄糖酶傳感器與尿素傳感器外，臨床檢驗中，使用的酶生物傳感器還有乳酸酶傳感器、膽固醇傳感器等。

2.2 微生物傳感器的應(yīng)用

微生物傳感器較之酶傳感器具有更好的穩(wěn)定性，并且微生物的制備成本較低，能夠在一定程度上減少臨床檢驗投入。目前，微生物傳感器主要檢測對象包括糖、醇、酸、氨基酸等，但是，檢測效率會弱于酶生物傳感器，因此，并不具有太高的選擇性。另外，微生物傳感器使用過程中會因為微生物代謝產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)，從而使傳感器的檢測效果與使用期限受到影響，因此，目前微生物傳感器在臨床檢驗中應(yīng)用范圍較小。大腸桿菌傳感器可以用于測定體內(nèi)大腸桿菌分布情況以及是否超標(biāo)。大腸桿菌是一種寄生于人體大腸和小腸內(nèi)的無害細(xì)菌，正常情況下，不僅不會對身體造成危害，還能對有毒有害病菌的繁殖起到一定的抑制作用，但是，當(dāng)機體免疫力下降后，大腸桿菌會因為過度繁殖開始向腸道外部遷移，進(jìn)而引發(fā)膽囊炎、尿道炎、膀胱炎等疾病。臨床檢驗中，使用大腸桿菌傳感器能夠快速了解體內(nèi)大腸桿菌的相關(guān)情況，并以此為基礎(chǔ)來判斷某種病癥是否由大腸桿菌引起。目前，臨床檢驗中應(yīng)用較多的微生物傳感器還有油門螺旋桿菌傳感器、念球菌傳感器等。

2.3 蛋白質(zhì)生物傳感器的應(yīng)用

蛋白質(zhì)生物傳感器主要是利用抗原與抗體特異性反應(yīng)發(fā)揮作用。在實際應(yīng)用中，蛋白質(zhì)生物傳感器能夠?qū)⒖乖c抗體反應(yīng)信號記錄下來，而后通過動力學(xué)分析判斷反應(yīng)信號類別，如果屬于特異性反應(yīng)，則能根據(jù)抗體屬性判斷抗原屬性，如果屬于非特異性反應(yīng)，則需要更換傳感器抗體感應(yīng)元件。因此，蛋白質(zhì)生物傳感器具有更好的檢測準(zhǔn)確性，并且當(dāng)前大部分抗體都能完成制備，因而其檢測范圍較為寬廣。甲胎蛋白傳感器主要用于檢測甲胎蛋白含量。甲胎蛋白在人體內(nèi)部發(fā)揮重要作用，比如，運輸營養(yǎng)、調(diào)節(jié)生長因子等，而根據(jù)最新研究，發(fā)現(xiàn)腫瘤中的甲胎蛋白具有較高濃度，因而腫瘤檢測中通常會將甲胎蛋白含量作為檢測指標(biāo)。甲胎蛋白傳感器不僅可以通過檢測甲胎蛋白含量判斷腫瘤狀況，還能在治療過程中發(fā)揮監(jiān)測作用，預(yù)防腫瘤的惡性發(fā)展。甲胎蛋白傳感器的檢測濃度最低可達(dá)5ug/L，有利于提升臨床檢驗的精確度。還有一種蛋白質(zhì)傳感器專門用于胰島素的檢測，檢測濃度最低可達(dá)1ug/L，可以更加精確地了解機體內(nèi)胰島素含量。這一傳感器通常與葡萄糖酶傳感器配合使用，能夠在糖尿病治療中發(fā)揮重要作用。糖尿病一般不是單獨出現(xiàn)，而是會伴隨其他病癥，因此在使用傳感器進(jìn)行檢測時需要科學(xué)選擇，比如，在治療糖尿病腎病患者時，會使用等離子共振蛋白質(zhì)傳感器，這種傳感器可以更精確地檢測患者尿樣中的蛋白含量，從而為臨床診斷與治療提供依據(jù)。

2.4 核酸生物傳感器的應(yīng)用

核酸傳感器的生物分子識別元件為游離的核酸分子，在進(jìn)入被檢測樣本內(nèi)部時，會通過堿基互補配對與樣本核酸核酸鏈結(jié)合，而后根據(jù)生成核酸鏈的排列順序做出判斷。DNA生物傳感器在臨床檢驗中主要用于檢測結(jié)核桿菌、乙型肝炎病毒、艾滋病毒等一系列感染性疾病。在檢測過程中，傳感器可以在短時間內(nèi)通過堿基互補配對完成對檢測樣本相關(guān)信息的收集，不僅可以讓醫(yī)生判斷疾病類型，還能通過呈現(xiàn)配對過程了解疾病形成時的每個階段，從而在治療時可以更好地“對癥下藥”。目前，我國研制的丙型肝炎病毒核酸生物傳感器已經(jīng)應(yīng)用于臨床檢驗中，但由于成本較高，尚沒有得到廣泛推廣。核酸生物傳感器還具有一大優(yōu)勢，即可以對藥物治療過程進(jìn)行監(jiān)測，如果可以應(yīng)用于臨床檢驗中，則能使臨床治療效果更上一層樓。