摘要：作為傳感技術領域一個非常活躍的研究前沿，近十多年以來，隨著各種新原理、新技術的發展和出現，生化傳感器的發展呈現出商品化、微型化、集成化、智能化等許多新特點。 本文將介紹當前生化傳感器發展的新特點，并對其發展的新趨勢進行探討。
關鍵詞：生化傳感器;商品化;微型化;集成化;智能化;生物芯片
中圖分類號： TP212.3/TP212.2 文獻標識碼 : A
一、引言
生化傳感器是指能感應(或響應)生物、化學量，并按一定規律將其轉換成可用信號(包括電信號、光信號等)輸出的器件或裝置。它一般由兩部分組成，其一是生 化分子識別元件(感受器)，由具有對生化分子識別能力的敏感材料(如由電活性物質、半導體材料等構成的化學敏感膜和由酶、微生物、 DNA 等形成的生物敏感膜)組成;其二是信號轉換器(換能器)，主要是由電化學或光學檢測元件(如電流、電位測量電極，離子敏場效應晶體管，壓電晶體等)。然 而，隨著當前各種新材料、新原理和新技術的不斷發展，特別是微電子機械系統 (Micro electro mechanical system ， MEMS) 技術和生物芯片技術的出現，目前生化傳感器的概念已經跳出了原來狹義的圈子，擴展為以微型化、集成化、智能化和芯片化為特征的生化微系統。
生化傳感器已經經歷了一段較長的發展歷程，最早的化學傳感器可以追溯到 100 多年前的 H + 離子選擇性電極，而生物傳感器也可以追溯到上個世紀 60 年代英國人 Clark 發明的酶電極。近些年來生化傳感器的研究與發展更加迅速和深入，表現出了一些新特點，主要有：
( 1 )在廣闊市場前景的驅動下，實用化、商品化的生化傳感器與系統越來越多;
( 2 )微電子機械系統技術和納米技術不斷滲入到傳感技術領域，微型化、集成化和多功能化的生化傳感器進入全面深入研究開發時期;
( 3 ) 隨著計算機技術的廣泛應用，一種具有信息檢測、信號處理、信息記憶、邏輯思維與判斷功能的智能靈巧型生化傳感系統開始出現;
( 4 ) 自從上世紀 80 年代末提出人類基因組計劃以來，以芯片化為結構特征，以系統集成為最終目標的各種新型的生化微系統(包括微陣列基因芯片、微流體生物芯片等)應運而生，把 生化傳感器的研究推進到一個前所未有的嶄新階段。
下面將就這些特點作些簡要介紹。
二、生化傳感器的商品化、實用化
血糖傳感器是生物傳感器中最先商品化和實用化的一種。自從 1990 年英國首先研制成功了一種用于糖尿病人自我檢測血糖濃度的葡萄糖酶生物傳感器之后，這種傳感器在制造中采用了絲網印刷技術印制電極和酶層，已實現了大批量 生產;這項研究在我國也獲得成功，并已商品化、產業化。除此以外，能快速分析葡萄糖、谷氨酸、乳酸、乳糖、半乳糖的多功能生物傳感器以及測定生物肌體內三 磷酸腺苷( ATP ) 變化的新鮮度傳感器也都已得到實用。圖 1 所示為一種小型血糖測試儀。
近些年來無標記檢測方法得到迅速發展，它是直接利用抗原與抗體反應的生成物所引起物理、化學參數變化來檢測的。這種無標記檢測不僅操作簡化，而且可以實 時、在線檢測，光、聲、電、熱等多種敏感元件都可以作為這種生物傳感器的轉換元件，如表面等離子體諧振 SPR ( Surface Plasmon Resonance )、橢圓偏振光 EPL ( Ellipsometry and Polarized Light )、光尋址電位傳感器 LAPS ( Light Addressable Potentionmetric Sensor )、離子敏場效應晶體管 ISFET ( Ion Sensitive Field Effect Transistor )、表面聲波 SAW ( Surface Acoustic Wave ) 和石英晶振微天平 QCM ( Quartz Crystal Microbalance ) 等。這里特別要指出的是近些年表面等離子體諧振( SPR )生物傳感器得到迅速的發展和實際應用。
表面等離子體諧振生物傳感器是利用固態表面上生物敏感膜的親和反應檢測光學參數變化的一種具有高靈敏、快速、穩定的生物傳感器。檢測時，樣品不需要標記， 可以直接、實時、原位地檢測，且需要量少;其可以監測吸附過程的連續反應，監測可逆性程度，也可以詳盡地檢測生物分子相互作用的動力學過程。 SPR 分析技術的出現，大大加快和優化了免疫測定過程。幾十年來， DNA 和蛋白質之間相互作用的反應動力學測定一直沒有簡便快捷的方法，而 SPR 技術解決了這一難題。現今，瑞典 Phamacia 公司的 Biacore 系列產品已占據國際市場主導地位，英國的 Iasys 公司、美國 TI 公司以及日本、德國也都有自己的產品。
中科院傳感技術國家重點實驗室自行設計研制的諧振角調制型 SPR-2000 生物傳感器，性能穩定，特點突出，調制范圍寬( 40 ° ~70 ° )、精度高( 0.001 ° )、折射率測試范圍寬( 1.04~1.47 ) , 可對液相和氣相樣品檢測;反應池溫度可以調控，高溫達 95 ° C ， 滿足 DNA 擴增要求，系統智能化程度很高，也已商品化。圖 2 所示為 SPR-2000 型表面等離子體諧振生物傳感器及分析儀照片。 [1,2]
三、生化傳感器的微型化、集成化和多功能化
各種新型加工材料和先進制造技術的出現給當前生化傳感器的發展帶來巨大的推動力。電子集成電路( IC )工藝技術，特別是 MEMS 技術在生化傳感器中的應用，加速了生化傳感器的微型化、集成化和多功能化。 MEMS 技術是在微電子器件制造技術的基礎上進一步融入微機械加工技術，并把兩者結合起來的微制造技術。它包括了平面工藝中的光刻、氧化、擴散、 CVD 生長、鍍膜、壓焊等，又增加了三維加工工藝，如雙面光刻、各向異性和各向同性化學腐蝕、等離子深刻蝕、 LIGA (光刻、電鑄、鑄塑)技術、硅—硅鍵合、硅—玻璃鍵合等等，加工尺度在微米級。
以生物傳感器為例來說，繼第一代傳統的酶電極和第二代便攜式實用性葡萄糖酶電極之后，現在正在研制第三代陣列化、集成化、多功能化器件。把血糖、血酯、酮 體和乳酸等四種參數的檢測集成在一個芯片上，這樣對糖尿病患者，不僅能檢測血糖指標，還檢測血脂(高血酯不僅引發高血壓、動脈粥樣硬化還將誘發糖尿病加 重)、酮體和乳酸指標。把檢測四種參數功能集成化，而只采一滴不到 5 m l 的血樣，就可以給出全面結果，這是新一代血糖檢測儀。同樣，檢測血液中 pH 、 pO 2 、 pCO 2 含量的血氣檢測儀也正在向微型化、集成化、多功能化的方向發展，不久的將來就會商品化。
與傳統的生化傳感器相比，微型化、集成化的生化傳感器系統表現出了許多獨特的優點：小型便攜、分析速度快(可以提高 2 ～ 3 數量級)、所需樣品量少(只需幾微升)、污染大大減少(可以采用一次性使用器件)、實現臨床實時分析、性能價格比高、便于批量生產制造等。
微米技術( MEMS 技術)給生化傳感器的發展帶來深刻的影響，成為當今發展生化傳感器的核心技術;而納米技術的出現和興起將為生化傳感器的發展提供更為廣闊的空間。
隨著納米技術的發展，納米生物學、納米醫學誕生了，生化傳感器在納米技術的推動下也帶來了的新的革命;一些納米傳感器和納米執行器應運而生。例如有一種為 糖尿病人研制的超小型的、模仿健康人體內的葡萄糖檢測系統的智能藥丸，即為納米智能藥物，它能被植入皮下，監測血糖水平，必要時釋放出胰島素，使人體內的 血糖和胰島素含量總處于正常水平。由生物大分子構成，利用化學能進行機械做功的分子馬達，也是一種納米系統，它包括線性推進和旋轉式推進兩類。 DNA 解旋酶是線性分子馬達，而生物體中普遍存在的三磷酸線苷酶( ATP )是旋轉式分子馬達。近年來科學家利用 ATP 酶作為分子馬達(被稱為納米機電設備——“納米直升機”)進入人體細胞，完成在人體細胞內發放藥物等任 務。圖 3 為 ATP 酶分子馬達示意圖。
納米傳感器目前已有多種型號，比如，有種能探測單個活細胞的納米探針，可插入活細胞內，探知會導致腫瘤的早期 DNA 損傷程度;還有一種 DNA 納米傳感器，很容易把鋅、鎳、鈷等離子并入 DNA 的雙螺旋中心，從而獲得新的 DNA 導電體。由于其能夠選擇性結合，從而可探測遺傳 DNA 畸變或鑒別環境毒素等。另外，利用納米技術的兩大效應——量子尺寸效應和表面效應可把傳感器的性能提高到新水平，使其不僅體積更 小、而且速度更快、精度更高和可靠性更好。基于表面效應的納米結構敏或膜是當前氣敏傳感器研究的熱點，如把納米金顆粒引入敏感膜制備中，則生化傳感器靈敏 度等性能有極大的提高。 Mirkin ， Lin 等采用金納米— DNA 探針識別靶基因的成功表明，納米技術能對 DNA 傳感器的靈敏度、穩定性及專一性發揮重要作用。 [3]
四、生化傳感器的智能化
計算機技術、通信技術和傳感技術被認為是當前信息技術的三大支柱技術，計算機技術、通信技術在近 20 年內取得了舉世矚目的成就，它們已經從根本上改變人們傳統的生活方式 和習慣。與之相比，傳感技術相對滯后，成為當前信息技術發展的一個“瓶頸”， 當然它也是最具挑戰性和吸引力的領域。就生化傳感器而言，由于其主要的應用范圍是與人們生活息息相關的臨床醫學、環境檢測等領域，這就給生化傳感器提出了 更高的要求：準確度高、可靠性高，穩定性好、而且要具備一定的數據處理能力，并能夠自檢、自校、自補償。傳統意義上的傳感器已不能滿足這樣的要求。另外， 為構建高性能的生化傳感器系統，僅僅依靠當前的生化技術來改造生化敏感材料還是遠遠不夠的，因此需要把當前已經成熟的計算機技術與生化傳感技術結合起來， 彌補其性能上的不足，由此，智能型生化傳感器誕生了。
所謂智能型生化傳感器，就是一種帶有微處理機的，兼有信息檢測、信號處理、信息記憶、邏輯思維與判斷功能的生化傳感器系統。
大家熟悉的“電子鼻”就是一類非常典型的智能型生化傳感器系統，它是將不同氣敏傳感元集成起來，利用各種敏感元對不同氣體的交叉 敏感效應，采用神經網絡模式識別等先進數據處理技術，對混合氣體的各種組分同時監測 , 得到混合氣體的組成信息的。從 20 世紀 50 年代首次提出“電子鼻”概念，到 80 年代英國沃威克大學 Dodd 研制出早期的“電子鼻”系統，今天美、英、法、德等發達國家均已有電子鼻產品問世。如美國 Cyranose 320 “電子鼻”就是由 32 個傳感器組成的陣列，英國的 Osmetech 、 Neotronics 等公司均有“電子鼻”產品。圖 4 為 Cyranose 320 “電子鼻”照片。
“電子鼻”系統通常由一個交叉選擇式氣體傳感器陣列和相關的數據處理軟件組成，并配以恰當的模式識別系統，具有識別簡單和復雜氣 味的能力。其敏感材料主要是金屬氧化物半導體和導電聚合物，配置陣列單元數量則從幾個到數十個不等，由陣列響應模式來確定其所測氣體的特征。陣列響應模式 采用關聯法、最小二乘法、群集法以及主要元素分析法等方法對所測氣體進行定性和定量鑒別。“電子鼻”具有極大的市場潛力，目前用 于質量控制和在線檢測的較大型“電子鼻”系統一般售價達 6 ~10 萬美元，而手持式“電子鼻”產品，售價僅為 5000 美元左右。其市場額增長迅速，具有超過氣相色譜分析和質譜儀等傳統技術的勢頭。
味 覺是同時捕捉多種物質的復合感覺，能探測味覺的傳感器就是“人工舌”，一個完善的“人工舌”必須包括不 同種敏感材料的膜電極陣列，以感受不同味道，進而對味覺信息進行編碼，綜合圖像處理和進行味覺識別。圖 5 為一種“人工舌”芯片樣品照片。
國外學者采用膽固醇油酸脂與人工合 成的氯化乙烯脂質混合成味覺敏感膜，因膜電位在不同的味道中不同，因此可測定酸、甜、苦、辣以及啤酒、咖啡等味道。這是用人工合成仿生脂質膜來模擬 “人工舌”的一個例子。巴西一家公司研制出一種便攜式“電子舌頭”， 電子舌上共裝有 4 個化學傳感器，每個都有薄膜高分子聚合物沉積在金質電極上并與電路相連。電子舌接觸待測溶液時，薄膜吸收溶解在水中的物質，電極的電容值發生變化。 4 個傳感器的狀態組合與包含有甜、咸、酸、苦等標尺的圖譜對照即可以確定溶液的味道。由于非常精密，它能夠發現水中極少量的雜質，能取代品味專家的職能，精 確可靠地測定飲料和食物的味道，評定酒、礦泉水及其它食物的質量。 [3]
五、生化傳感器的芯片化
生物芯片技術是隨著人類基因組計劃的實施發展起來的新興技術，盡管生物芯片這一概念并不是在生化傳感器的基礎上提出來的，但自從 1990 年瑞士科學家 Manz A. 提出微全分析系統( Micro Total Analytical System ， m TAS )這一概念以來，生化傳感器從此步入了一個嶄新的發展階段，如今，生化傳感器的發展思路不再僅僅局限于其自身的微型化和集成化，而是朝著以分析化學和分析 生物化學為理論基礎，以微電子機械系統技術為技術依托，以微管道網絡芯片為結構特征，以系統集成為最終目標的生化微系統方向發展。所以，以芯片化為結構特 征的生物芯片系統不僅是當前生化傳感器的一個重要的組成部分，更是未來生化傳感技術發展的一個重要方向。縱觀當前的生物芯片技術，依據芯片結構及工作機理 不同，通常可以分為兩大類：即微陣列芯片( Microarray chip )和微流體芯片( Microfluidic chip )。
微陣列芯片主要包括基因芯片、蛋白質芯片、細胞芯片、組織芯片等，其中基因芯片是微陣列芯片中最先實現商品化的產品，目前市場上出現的微陣列芯片大多數是 基因芯片;蛋白質芯片是微陣列芯片研制中極有潛力的一種芯片，因為它是從蛋白質水平去了解和研究各種生命現象。圖 6 是 Affymetrix 公司研制的一種平面陣列 P53 基因芯片，由 50000 個 DNA 探針組成，試圖監測 400 個以上的 DNA 突變。通過分子生物學，表面 / 界面化學，分子電子學和仿生學的發展與結合，基因檢測技術得以完善，最終達到能快速、準確、特異地揭示分子異常事件，為臨床診斷提供可靠的依據的目標。此 外，美國 Motorola 公司發展了一種基于電化學傳感器陣列的基因芯片，他們巧妙地把基因芯片技術與 DNA 生物傳感器技術結合起來，大大減化了檢測儀器，同時也加快了分析速度。事實上，無論是基于光學原理還是電化學原理檢測的微陣列芯片，芯片點陣中的每一個單 元微點都可以看作生化傳感器的一個探頭，所以生化傳感技術的精髓已經應用到了當前生物芯片系統的發展上。
微流體芯片通常又稱為芯片實驗室( Lab On a Chip, LOC ) , 按其功能不同，可以分為樣品處理芯片、生化反應芯片以及結果檢測芯片，但其發展的最終目標是把上述三種具有不同功能的芯片集成化，實現檢測過程的連續化和 一體化，最終達到微全分析的目的。中科院傳感技術國家重點實驗室采用硅微加工技術和塑性材料加工技術，已制作出 DNA 樣品處理芯片， PCR 芯片和集成毛細管電泳芯片，如圖 7 所示。
在各種單一的功能芯片得到充分研究的基礎上， 1998 年 Burns M. A. 等人構建了一個集成的納升級 DNA 分析系統，如圖 8 所示，該集成分析系統融合了多項芯片技術，具有較高智能度和集成度。其大小為 47mm × 5mm × 1mm ， 采用標準光蝕刻技術和微細加工技術，在硅片基上構建了各種微流體網絡及各種復雜的功能器件。在計算機控制下，流體由芯片外圍的空氣泵進行驅動，流體定位和 計量由微溝道中的疏水區帶來完成，集成在芯片上的加熱子和溫度傳感器對擴增室的溫度進行精確監控，擴增后的 DNA 樣品通過壓力輸送到電泳注樣口，然后在電場作用下實現電動進樣和電泳分離。整個系統除了激發光源、壓力源和控制電路部分外，其他部分都已經制作在微芯片上 了。這種整合了納升進樣器、溫控反應室、樣品混合及定位、電泳分離和熒光檢測等系統的高度集成裝置的出現，表明復雜系統可縮微到微納米大小，推動了實驗室 的微型化和芯片化。 [4]
在這里我們還要特別介紹一下基于電化學傳感器的電泳芯片實驗室系統，其結構如圖 9 所示。 Wang J 領導的研究小組在這一領域做了大量的卓有成效工作，并對其進行了非常系統深入的研究。他們首先構建了一套基于柱前生化反應、柱中電泳分離和柱后電化學檢測 的生化微系統分析平臺。實驗時，首先讓樣品溶液中的葡萄糖與葡萄糖氧化酶在入柱前發生衍生化反應生成具有電活性的 H 2 O 2 ， 接下來生成的 H 2 O 2 與尿酸、抗壞血酸在微毛細管柱中進行電泳分離，最后在電泳柱末端絲網印刷碳電極分別對它們進行電化學響應，從而實現對尿酸、抗壞血酸的直接電化學檢測和葡 萄糖的間接電化學檢測。該芯片實驗室系統既有效地利用了電化學傳感器檢測的高靈敏度和酶反應的高特異性，更是充分發揮了毛細管電泳芯片分離的高效性，由于 該系統從芯片本身到電化學檢測的外圍設備都可以全部微型化，從而實現真正意義的便攜式系統。所以基于這一理念設計的芯片實驗室系統，在未來床邊檢測( point of care test ， POCT )芯片的開發方面將具有極高的應用價值和廣闊的應用前景。 [5]
六、結束語
21 世紀是生命科學的世紀，特別是人類基因組計劃的實施大大加速了與生物學、醫學、衛生、食物等學科息息相關的各類新型生化傳感器的發展，這給當前生化傳感器 的研究提供了前所未有的發展機遇。可以預見，在不久的將來，一種新型的生化傳感器微系統將走進我們的生活，它將在疾病診斷、生物信息學和基因檢測分析等方 面顯示出廣泛的應用前景。
參考文獻：
[1] 崔大付等 . 表面等離子體諧振( SPR )生化分析儀的研制 [J]. 現代科學儀器， 2001 ， 6 ： 34 ～ 38
[2] 崔大付等 . 表面等離子體諧振( SPR )生化分析儀的研制與應用 [J]. 儀器儀表與傳感器， 2002 ， 2 ： 33 ～ 37
[3] 崔大付，陳翔 . 生物傳感器的研究和發展 [J]. 電子產品世界， 2003 ， 1 ： 55 ～ 57
[4] Burns M A, et al.. An Integrated Micro-fabricated DNA Analysis Device[J]. Science, 1998, 282: 484 ～ 487
[5] 劉長春，崔大付 . 電化學傳感器及其在芯片實驗室中的應用 [J]. 傳感器技術， 2003 ， 22 ( 7 )： 1 ～ 3