本文作者：劉傳銀 胡繼明 單位：襄樊學(xué)院化學(xué)工程與食品科學(xué)學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)分析化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

生物傳感器是由生物活性單元(如酶、抗體、蛋白質(zhì)、核酸和細(xì)胞等)和信號(hào)轉(zhuǎn)換器組成并利用生物識(shí)別原理來進(jìn)行檢測的一種裝置［1］。它是一種由生物、化學(xué)、物理、醫(yī)學(xué)和電子技術(shù)等多種學(xué)科互相滲透成長起來的高新技術(shù)，具有選擇性好、靈敏度高、分析速度快、成本低、在復(fù)雜的體系中進(jìn)行在線連續(xù)監(jiān)測，及其易于自動(dòng)化、微型化與集成化的特點(diǎn)。特別是近年來分子生物學(xué)、微電子學(xué)、光電子學(xué)、微細(xì)加工技術(shù)及納米技術(shù)等新學(xué)科和新技術(shù)的進(jìn)展，使生物傳感器的研究蓬勃發(fā)展，成為新興的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。根據(jù)分子識(shí)別元件與待測物結(jié)合的性質(zhì)可將生物傳感器分為生物催化型(代謝型)和生物親和型(受體型)。生物親和型傳感器是利用分子間特異的親和性，即生物活性物質(zhì)對(duì)底物的親和或鍵合作用而建立起來的，如免疫傳感器、受體傳感器和DNA傳感器等。根據(jù)生物反應(yīng)產(chǎn)生信息的物理或化學(xué)性質(zhì)，可采用電化學(xué)、光譜、熱、壓電和表面聲波等技術(shù)進(jìn)行檢測［1］。本文按照傳感信號(hào)方式的不同，對(duì)近年來親和型生物傳感器在生物醫(yī)學(xué)上的進(jìn)展予以綜述。

1免疫傳感器

癌癥是人類健康的殺手，是否能較早診斷出癌癥的前期征兆是影響癌癥患者恢復(fù)的關(guān)鍵因素。眾所周知，在腫瘤發(fā)展的過程中，腫瘤組織或細(xì)胞會(huì)釋放出一些特異性的蛋白質(zhì)進(jìn)入循環(huán)體系，而這些特異性蛋白在血液中的含量水平標(biāo)志著腫瘤發(fā)展的階段，所以在生物醫(yī)學(xué)上常將這些特異性蛋白稱為腫瘤標(biāo)記物。臨床醫(yī)學(xué)上常將這些腫瘤標(biāo)記物的檢測作為臨床檢驗(yàn)和診斷的重要依據(jù)［1］。生物化學(xué)、酶聯(lián)免疫和分子生物學(xué)等多種方法已用于腫瘤標(biāo)記物的檢測，雖然這些方法具有較高的選擇性、準(zhǔn)確度，但是存在輻射威脅、耗時(shí)和費(fèi)用較高等缺點(diǎn)。由于免疫傳感器結(jié)合了免疫反應(yīng)的特異性分子識(shí)別和便利的檢測技術(shù)而得到研究者的普遍關(guān)注，故開發(fā)快速而準(zhǔn)確的腫瘤標(biāo)記物的免疫傳感器成為生物醫(yī)學(xué)檢測的研究熱點(diǎn)。腫瘤標(biāo)記物一般分為以下幾類:酶、糖蛋白、粘糖蛋白、激素、免疫分子和癌基因等。臨床醫(yī)學(xué)實(shí)踐表明，甲胎蛋白(AFP)、降血鈣素(CT)、癌胚抗原(CEA)、人絨毛膜促性腺素(hCG)、前列腺特異抗原(PSA)、鱗狀上皮細(xì)胞抗原(SCCA)、神經(jīng)元特異性烯醇酶(NSE)和CA(CarcinomaAntigen)等均是典型的腫瘤標(biāo)記物［1］。如腸癌的腫瘤標(biāo)記物為CEA、CA19-9和CA24-2;前列腺癌的腫瘤標(biāo)記物為F-PSA、PSA和PAP。按照免疫傳感器檢測信號(hào)的不同，可分為電化學(xué)型、光學(xué)型和質(zhì)量敏感型等。

1．1電化學(xué)免疫傳感器

電化學(xué)免疫傳感器可再分為電位型、電容型和電流型。電位型傳感器在免疫傳感中應(yīng)用不多。梁茹萍等［2］利用戊二醛交聯(lián)CA15-3抗體的電位型免疫傳感器用于乳腺癌CA15-3的檢測，獲得了良好的檢出限(5U/mL)和穩(wěn)定性(30d)。Fu等［3］制備了40nm的氧化鐵納米柱修飾碳糊電極，用于固定CEA建立了測定CEA的電位型免疫傳感器。其線性范圍為1.5～80μg/L，檢出限為0.9μg/L。對(duì)臨床血液樣本的檢測結(jié)果與酶聯(lián)免疫法相符合。Zhou等［4］將納米金吸附在溶于PVC的鄰苯二胺的氨基上，制備了一種增塑的PVC膜的電位傳感器用于α-AFP的檢測。該傳感器的響應(yīng)時(shí)間短(4min)、檢出限低(1.6μg/L)。但電位型免疫傳感器的不足之處在于:信噪比較低，線性范圍窄，非特異性抗體-抗原作用及背景信號(hào)較高。電容型免疫傳感器是一種高靈敏非標(biāo)記型免疫傳感技術(shù)。在電容型免疫傳感器的制作中，傳感界面的構(gòu)建和生物識(shí)別層的固定是影響其性能的重要因素。可采用半導(dǎo)體氧化物膜、自組裝單分子膜、電聚合膜、溶膠凝膠膜和等離子體聚合膜等來構(gòu)建電容型免疫傳感器。Fernandez-Sanchez等［5］研制了可以用于檢測PSA的免疫傳感器。他們將對(duì)pH敏感的聚合物附著在電化學(xué)傳感器的表面，用于快速而靈敏地檢測親和反應(yīng)過程中的電容及阻抗變化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)PSA的靈敏檢測。Quershi等［6］在納米晶鉆(NCD)-interdigitatedgold(GID)電極表面固載抗體，進(jìn)而通過電容法測定心血管標(biāo)記物CRP。結(jié)果表明，電容器的靈敏度表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是當(dāng)抗體與抗原結(jié)合后，極化常數(shù)和弛豫時(shí)間常數(shù)明顯增大，二是傳感器的靈敏度與抗體濃度及施加頻率緊密相關(guān)。袁若等［7］報(bào)道了一種在玻碳電極表面修飾金納米粒子，進(jìn)而吸附CEA抗體，用鐵探針離子的阻抗特性來檢測CEA，獲得了良好的檢出限和靈敏度。

Rajesh等［8］在ITO修飾電極上利用自組裝膜固定α-CRP，利用電化學(xué)阻抗法檢測α-CRP抗體與抗原的親和作用，其檢出限達(dá)到3.5μg/L。由于電容法和阻抗法可以獲取直接、非標(biāo)記的親和信號(hào)，所以在臨床診斷上具有良好的發(fā)展前景。但電容法存在的問題在于響應(yīng)電容易受到非特異性吸附的影響，其重現(xiàn)性不如法拉第阻抗法與伏安法。所以如何優(yōu)化傳感界面，改善響應(yīng)電容的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性仍是電容型免疫傳感器發(fā)展中的關(guān)鍵問題。電流型免疫傳感器備受研究者的關(guān)注。由于大多數(shù)待測物不能直接參與電化學(xué)反應(yīng)，常采用加入電子媒介體和標(biāo)記酶來催化底物轉(zhuǎn)化為電活性物質(zhì)來制備傳感器。雖然加入電子媒介體會(huì)降低檢出限，但其分離和洗滌步驟限制了它在生物醫(yī)學(xué)上的廣泛應(yīng)用。而基于標(biāo)記酶的直接電子傳遞的免疫傳感器則簡化了分離和洗滌步驟，在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用更有吸引力。鞠幌先研究組曾對(duì)腫瘤標(biāo)記物的電流型傳感器進(jìn)行了深入的研究［9-12］。如將硫堇和HRP標(biāo)記的CEA抗體通過戊二醛交聯(lián)在電極表面，制成了一種具有良好穩(wěn)定性的傳感器。該傳感器減少了加入電子媒介體的麻煩，并且不需乳化和洗滌，線性范圍為0.5～3.0和3.0～167μg/L，檢出限為0.1μg/L，重現(xiàn)性良好［10］。他們還研究了基于HRP的直接電子傳遞的免疫CEA傳感器，對(duì)CEA的檢出限為0.3μg/L，并將實(shí)際樣品的檢測結(jié)果與臨床檢測方法相比照，獲得了滿意的結(jié)果［12］。除此之外，研究人員還結(jié)合納米粒子的電子傳導(dǎo)、絲網(wǎng)印刷技術(shù)、微流控裝置、毛細(xì)管電泳和流動(dòng)注射等技術(shù)對(duì)腫瘤標(biāo)記物的檢測進(jìn)行了研究。

Jin等［13］結(jié)合毛細(xì)管電泳和電化學(xué)檢測技術(shù)，對(duì)腫瘤標(biāo)記物CA125進(jìn)行了檢測。Kojima等［14］設(shè)計(jì)了一種包含36個(gè)Pt微電極的陣列，運(yùn)用不同的抗體來捕獲腫瘤標(biāo)記抗原，采用電化學(xué)免疫檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多標(biāo)記物的同時(shí)檢測。Wilson等［15］采用雙電極的免疫傳感器同時(shí)采用安培法測定了CEA和AFP，獲得了1μg/L的低檢出限，并有效抑制了交叉干擾。研究表明，這些新技術(shù)在免疫傳感器中的引入，不僅降低了待測物的檢出限，而且可以有效降低共存物質(zhì)的干擾，并可實(shí)現(xiàn)多通道同時(shí)檢測多種腫瘤標(biāo)記物。由于納米材料的獨(dú)特性質(zhì)，使其在實(shí)時(shí)、靈敏檢測標(biāo)記物方面具有廣泛的應(yīng)用前景。如Zheng等［16］利用抗體功能化的二氧化硅納米線制備了一種新型傳感器，用于在血漿中的癌癥標(biāo)記物的非標(biāo)記實(shí)時(shí)監(jiān)測。Ramanathan等［17］和Willner等［18］曾報(bào)道利用聚合物納米線和碳納米管進(jìn)行相關(guān)生物親和體系內(nèi)標(biāo)記物的檢測。Wu等［19］將CEA/納米金通過殼聚糖固定在絲網(wǎng)印刷電極上，結(jié)合流動(dòng)注射法建立了一種快速而方便的CEA電化學(xué)免疫傳感器，CEA檢測的線性范圍為0.50～25μg/L，檢出限為0.22μg/L。該傳感器通過流動(dòng)注射HRP-anti-CEA，故可以控制乳化時(shí)間，并易于自動(dòng)化。Wang等［20］將聚鳥嘌呤功能化的二氧化硅納米粒子標(biāo)記壞疽抗體的夾心型傳感器用于壞疽因子的電化學(xué)測定，可直接用于生物樣品中壞疽因子的檢測，檢出限為2.0pmol/L。Chen等［21］在玻碳電極表面氣相沉積納米金/硅溶膠，將HRP功能化的hCG抗體固定于其上，建立了一種無試劑的電化學(xué)免疫傳感器用于hCG的靈敏檢測，其檢出限為0.3mIU/mL。Wang等［1］對(duì)近年來功能化碳納米管在腫瘤標(biāo)記物上的應(yīng)用進(jìn)行了綜述。