传感器在医疗诊断技术中的应用

传感器在医疗诊断技术中的应用

专业班级： 09电子工程（1）班

学生姓名：

指导教师：张永炬

物理与电子工程学院

传感器在医疗诊断技术中的应用

摘要

生物传感器是一个非常活跃的研究和工程技术领域，是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法。生物传感器不仅为基础医学研究及临床诊断提供了一种快速简便的新型方法，而且因为其专一、灵敏、响应快等特点，在军事医学和临床医学中发挥着越来越大的作用。本文就让大家对传感器进行一次深入的认识，并且会简要介绍生物传感器在医疗诊断技术中的应用以及发展前景。

关键词：生物传感器；医疗诊断技术；发展前景

前言

传感器是能够感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置的总称，通常被测量是非电物理量，输出信号一般为电量。随着现代科学的发展，传感器技术作为一种与现代科学密切相关的新兴学科也得到迅速的发展，并且在工业自动化、测量和检测技术、航天技术、军事工程、医疗诊断等学科被越来越广泛地利用，同时对各学科发展还有促进作用[1]。

在众多的传感器中，生物传感器作为一个后起之秀，逐步闪耀在国际生物学研究的舞台上，现在已经成为一个非常活跃的研究和工程技术领域，它与生物信息学、生物芯片、生物控制论、仿生学、生物计算机等学科一起，处在生命科学和信息科学的交叉区域。生物传感器是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法。它们的共同特征是：探索和揭示出生命系统中信息的产生、存储、传输、加工、转换和控制等基本规律，探讨应用于人类经济活动的基本方法。

本文将主要简述生物传感器的历史背景、发展过程、现状、应用价值和实践意义，为大家进一步了解生物传感器提供一些帮助。

一生物传感器的简介

生物传感器是对生物物质敏感并能将其浓度转换为电信号进行检测的仪器，是由固定化的生物敏感材料（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）作识别元件，并与适当的理化换能器（如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等）及信号放大装置构成的分析工具或系统。它并不专指用于生物技术领域的传感器，它的应用领域还包括环境监测、医疗卫生和食品检验等[2]。

生物传感器与其它传感器的最大区别在于生物传感器的信号检测中含有敏感的生命物质。这些敏感物质有酶、微生物、动植物组织、细胞器、抗原和抗体等。根据生物传感器中分子识别元件即敏感元件可分为五类：酶传感器，微生物传感器，细胞传感器，组织传感器和免疫传感器。生物传感器中的信号转

换器与传统的转换器并没有本质的区别。例如：可以利用电化学电极、场效应晶体管、热敏电阻、光电器件、声学装置等作为生物传感器中的信号转换器。据此又将传感器分为生物电极传感器，半导体生物传感器光生物传感器，热生物传感器和压电晶体生物传感器等，换能器依次为电化学电极、半导体、光电转换器、热敏电阻、压电晶体等。生物传感器按照传感器器件检测的原理分类，可分为热敏生物传感器、场效应管生物传感器、压电生物传感器、光学生物传感器、声波道生物传感器、酶电极生物传感器、介体生物传感器等。生物传感器按照生物敏感物质相互作用的类型分类，可分为亲和型和代谢型两种。也可根据所监测的物理量、化学量或生物量而命名为热传感器、光传感器、胰岛素传感器等。

生物传感器之所以能在当代社会得到快速发展，除了社会的需求，最主要的原因是因为它所具有的独一无二的特点：

（1）采用固定化生物活性物质作催化剂，价值昂贵的试剂可以重复多次使用，克服了过去酶法分析试剂费用高和化学分析繁琐复杂的缺点。

（2）专一性强，只对特定的底物起反应，而且不受颜色、浊度的影响。

（3）分析速度快，可以在一分钟得到结果。

（4）准确度高，一般相对误差可以达到1％。

（5）操作系统比较简单，容易实现自动分析。

（6）成本低，在连续使用时，每例测定仅需要几分钱人民币。

（7）有的生物传感器能够可靠地指示微生物培养系统内的供氧状况和副产物的产生。在产控制中能得到许多复杂的物理化学传感器综合作用才能获得的信息。同时它们还指明了增加产物得率的方向[3]。

二生物传感器产生的历史背景

有人把2l世纪称为生命科学的世纪，也有人把2l世纪称为信息科学的世纪，但是我认为21世纪是生物经济的时代。而生物传感器是介于信息和生物技

术之间的新增长点，它作为生物技术支撑及关键设备之一，在国民经济中的临床诊断、工业控制、食品和药物分析(包括生物药物研究开发)、环境保护以及生物技术、生物芯片等研究中也必然会得到极大的发展，成为生物技术发展中出现的新产业链。它们将进一步与信息技术相结合，发展成为生物技术中的数字工程。

三生物传感器的发展过程

生物传感器的发展，自1962年Clark和Lyon两人提出酵素电极的观念以后，YSI公司于70年代就积极投入了商品化的开发与生产，开启了第一代生物传感器并于1979年投入医检市场，其最早的商品为血糖测试用酵素电极。YSI 公司的上市成功与80年代电子信息业的蓬勃发展有很密切的关系，并且一举带动了生物传感器的研发热潮。Medisense公司继续以研发第一代酵素电极为主，于1988年由于成功的开发出调节(mediator)分子来加速响应时间与增强测试灵敏度而声名大噪，并以笔型(Pen 2)及信用卡型(companion 2)之便携式小型生物传感器产品，于1988年上市后立即袭卷70%以上的第一代产品市场，成为生物传感器业的盟主。第二代的生物传感器定义为使用抗体或受体蛋白当分子识别组件，换能器的选用则朝向更为多样化，诸如场效半导体(FET)，光纤(FOS)，压晶体管(PZ)，表面声波器(SAW)等。虽然第二代的生物传感器，自80年代中期即开始引起广泛的研发兴趣，但一般认为尚未达医检应用阶段，预定相关技术须待世纪末方能成熟。目前可称的上第二代生物传感器的产品为1991年上市的瑞典商Pharmacia所推出的BIAcore与BIAlite两项产品。第三代的生物传感器定位在更具携带式，自动化，与实时测定功能[4]。

我国的生物传感器研究始于20世纪八十年代初，从事生物传感器研究的科研机构有中国科学院微生物所、中国科学院上海生化所、上海冶金所、中国科学院武汉病毒所、华东理工大学和山东省科学院生物研究生等单位，直至今日，这些单位仍在生物传感器领域进行着创新研究和开发。20世纪九十年代开

始，我国的生物传感器研究队伍逐步开始壮大，其标志之一是近10年来在国内期刊上发表的以生物传感器为关键词的论文综述已经达到1200篇，这表明我国的生物传感器研究正在趋于完善。

四生物传感器的发展现状

当前我国生物传感器产业化现状和市场特点是：我国自主研发的生物传感器产品和跨国企业集团在中国推出的产品共存并相互竞争。一些掌握生物传感器技术的跨国大企业集团，看好被称为“世界工厂”的中国市场，采取技术输出的途径，吸收我国的技术力量和销售途径，在我国市场上进行生物传感器的开发、产品制造和销售。一部分海外留学归国的生物传感器专门人才也将自己的成果在中国转化并设厂办企业[5]。家用保健类生物传感器技术已率先较好地实现了产业化突破，取得了显著经济效益。固定化酶生物传感器作为一类多品种的精密科学仪器，支撑了一部份生物技术过程检测，对传统生物产业技术改造具有重要意义。我国生物传感器产业表现的空前繁荣景象代表了当前世界生物传感器产业的主要潮流。

五生物传感器在医学领域中的应用

生物传感器的应用领域十分广泛。在食品工业主要用于食品分析，包括食品成分、食品添加剂、有害毒物及食品鲜度等的测定分析；在环境监测中用于对污染物进行连续、快速、在线监测；在发酵工业主要用于消除发酵过程中产生的干扰微生物质；在医学上为基础医学研究及临床诊断提供了一种快速简便的新型方法；在军事上对生物毒素的及时快速检测提供了有效措施。在本文中，主要介绍生物传感器在医学领域中的重要应用。

（1）药物分析

药物分析用生物传感器其典型代表产品是SPR生物传感器，这是一种表面膜共振分析，是实时测定生物分子结合的技术。在九十年代初由发玛西亚公司引入，以抗原抗体结合分析为例，将抗原(或抗体)通过表面化学方法固定在芯

片的金箔表面，然后让抗体(或抗原)流过抗原抗体的结合将改变膜表面液体性状，从而影响金箔共振性质，这一改变可被实时检测并记录下来。如改让缓冲液流过，结合的抗体(或抗原)将解离并被带走，这同样改变膜表面液体性状，检测并记录下来的金箔共振性质改变就是解离相。

SPR生物传感器主要用于部分新药研发中药物作用的分子活性基团的识别。清华大学和中国科学院电子研究所均自行研制了SPR生物传感器，其中中国科学院电子研究所的产品配有小型流动注入系统、温控测试池及可批量制备的SPR生物传感芯片[6]。具有体积小、测定范围宽、精度高、灵敏度高、功能完整、操作方便、可靠、耗材廉价等优点，是一种创新性、实用化的现代科学仪器。目前，这种光、机、电一体化、智能化和实用化的SPR生化分析仪已提供给科研单位使用。

（2）肿瘤监测

英国纽卡斯尔大学科学家研发了可用于检测肿瘤蛋白以及耐药性MASA细菌的微型生物传感器。该系统利用一个回旋装置来检测，类似导航系统和气袋的原理，振荡晶片的大小类似于一颗尘埃尺寸。该装置可以鉴定肿瘤标志物---蛋白以及其它肿瘤细胞产生的丰度不同的生物分子。该装置作为将诊断和治疗疾病结合在一起的新兴疗法的主要设备，能够在诊断的同时，提出适合不同病人的治疗方案，这样既可以降低疾病诊断和医学临床的费用与复杂性，同时还具备提供疾病发展和药品疗效成果的能力[7]。目前该技术已被使用在某些乳癌的治疗上，只需在事前做些特殊的测试，即可根据结果决定适合的疗程，此技术更被医学界视为未来疾病疗程的主流。

（3）血糖分析仪

美国Cygnus公司开发的手表式血糖监测仪是一种连续的自动血糖监测装置。在对其校准之后，该装置无疼痛地进行监测并显示大量的血糖数据，可帮助糖尿病患者更好地控制其忽高忽低的血糖值。该装置像一块戴在腕部的手表，使用低电流无痛地将血糖抽取到自耗式经皮透渗贴片(自动传感器)，其内

置一个生物传感器，安放在手表式血糖监测仪的背面，紧贴在皮肤上，收集到的血糖在自动传感器内引发电化学反应，产生电子。高精度血糖分析仪是采用固定化酶的生物传感分析仪，其分析精度可以达到2％，比家用保健类生物传感器几乎高一个数量级，比目前医用生化分析仪的精度也高2～3个百分点，这在血糖分析领域是非常重要的，它们可以用作血糖分析的标准方法[8]。

（4）胰岛素泵

胰岛素泵又称为持续胰岛素输注泵，是为模拟自身胰岛素的生理性分泌，使血糖获得理想的控制而设计的智能式输注装置。现有皮下型和植入型。目前这类广泛应用的胰岛素泵还是开环式的，从严格的意义来说，它只是一种智能式的注射装置，但是它离不开血糖的分析，况且，30多年来研制与血糖分析器偶联的闭环式人工胰岛的努力一直没有停止，这种目标终究会实现。

六生物传感器的发展前景

近年来，随着生物科学、信息科学和材料科学发展成果的推动，生物传感器技术飞速发展。但是，目前生物传感器的广泛应用仍面临着一些困难，今后一段时间里，生物传感器的研究工作将主要围绕选择活性强、选择性高的生物传感元件；提高信号检测器的使用寿命；提高信号转换器的使用寿命；生物响应的稳定性和生物传感器的微型化、便携式等问题[9]。可以预见，未来的生物传感器将具有以下特点：

（1）功能多样化

未来的生物传感器将进一步涉及医疗保健、疾病诊断、食品检测、环境监测、发酵工业的各个领域。目前，生物传感器研究中的重要内容之一就是研究能代替生物视觉、嗅觉、味觉、听觉和触觉等感觉器官的生物传感器，这就是仿生传感器，也称为以生物系统为模型的生物传感器。

（2）微型化

随着微加工技术和纳米技术的进步，生物传感器将不断的微型化，各种便携式生物传感器的出现使人们在家中进行疾病诊断，在市场上直接检测食品成为可能。

（3）智能化和集成化

未来的生物传感器必定与计算机紧密结合，自动采集数据、处理数据，更科学、更准确地提供结果，实现采样、进样、结果一条龙，形成检测的自动化系统[10]。同时，芯片技术将愈加进人传感器，实现检测系统的集成化、一体化。

（4）低成本、高灵敏度、高稳定性和高寿命

生物传感器技术的不断进步，必然要求不断降低产品成本，提高灵敏度、稳定性和寿命。这些特性的改善也会加速生物传感器市场化，商品化的进程。在不久的将来，生物传感器会给人们的生活带来巨大的变化，它具有广阔的应用前景，必将在市场上大放异彩。

参考文献

[1] 冷彦宁.国外医学临床生化与检验学分册[M].高等教育出版社2002

[2] 黄贤武,郑莜覆．传感器原理与应用[M]．成都：电子科技大学出版社.2004

[3] 陈继冰.生物传感器在食品安全检测中的应用与研究进展[A].中国医疗器械2009(1)

[4] 毛跟年,李丽维．齐凤固定化酶应用研究进展[A].中国数字医学，2009(8)

[5] 谭碧君.固定化酶制备及应用的研究进展[A].科技导报，2011(1)

[6] 蔡豪斌.微生物活细胞监测生物传感器的研究[A].华夏医学.2000(3)

[7] 何希才．传感器及其应用．北京：国防工业出版社.2001．

[8] H.U. Lemke, et al. Request for Proposal for PACS Planning and Evaluation. Proceedings of CARS 2000,Elsevier Science B. V.

[9] 松林,叶甜春．物联网／传感网发展乏路初撂[A]．中国科学院刊.2010(1)

[10]姜远海,霍纪文.医用传感器[A].中国医药导报，1997