传感器新技术在生物医学中的应用

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　　摘 要：传感器应用于生物医学，可以快速检测人们的健康状况和发病情况，提高人们的健康管理水平。本文概括性地介绍传感器技术在生物医学研究中的一些应用。
　　关键词：传感器;外腔激光检测;癌症检测;石墨烯;蛋白质检测;甲醛检测，酒精检测;精氨酸测定
　　1 绪论[1]
　　传感器是一种检测装置，它与生物催化剂一起组成生物传感器。生物催化剂能检测到生物元素，传感器能将生物催化剂和生物元素的组合事件转换为可检测的参数。生物催化剂可以是生物分子，如酶、DNA、RNA、代谢物、细胞、寡核苷酸等，传感器可以有电化学、光学、压电、声学、量热仪等各种类型。使用生物传感器可以快速评估健康状况、发病情况及其进展，并借助化学、医学和纳米技术的多学科结合帮助规划许多疾病的治疗。生物传感器成本效益高、灵敏度高、速度快、使用方便，可批量生产服务于人们的健康。本文将简要地介绍传感器技术在生物医学中的一些研究新进展。
　　2 多孔光子晶体外腔激光生物传感器（ECL）[2]
　　美国伊利诺伊大学Qinglan Huang等人报道了一种光子晶体（PC）生物传感器的设计、制造和测试。该传感器采用多孔高折射率TiO2介电膜，可在增强的表面积体积内固定化捕获蛋白。这些表面积体积在空间上与共振电磁场的区域重叠，在这些重叠区域中，生物分子结合可以产生光子晶体谐振波长的最大变化。尽管传感器结构具有纳米级的孔隙率，但PC片具有窄带和高效率的谐振反射，使其成为外腔激光器的波长可调元件。在大得多的固定化蛋白质与小分子相互作用的环境中，证明了多孔结构提供的生物传感器信号比等效的非多孔结构大3.7倍，而外腔激光（ECL）检测方法提供了检测小分子结合引起的PC谐振波长的皮表尺度偏移的能力。这种多孔ECL在无标签光学生物传感器方面达到了创纪录的高性能。
　　3 可用于癌症检测的基于量子点的微流体生物传感器[3]
　　印度CSIR-国家物理实验室的Aditya Sharma Ghrera等人报道了一种阻抗微流控核酸传感器，该传感器可用于量化慢性髓细胞性白血病（CML）特有的DNA序列。传感器芯片是通过湿法化学蚀刻方法在玻璃衬底上的氧化锡（ITO）涂层上制备的，然后用聚二甲基硅氧烷（PDMS）微通道密封以便于流体控制，并利用Langmuir-Blodgett膜技术沉积硒化镉量子点（QCdSe）对微流体芯片进行了改性。此外，QCdSe表面用特定DNA探针进行了功能化，用于CML检测。采用这种微流体芯片，通过测量杂化界面电荷转移阻力，可以对目标互补DNA浓度进行监测。缓冲液中互补DNA的存在显著降低了界面的电导率，因为存在用于输送氧化还原探针离子的电荷屏障。所报道的微流体DNA生物传感器在10-15m至10-11m的浓度范围内表现出改善的线性度。
　　4 高灵敏石墨烯生物传感器[4]
　　石墨烯由于其超薄的结构，能够与目标分子进行强的静电耦合，并且具有超快的出色的电动流动性，因此在生物传感设备中得到了很好的应用。然而，石墨烯表面的厚堆叠受体会中断石墨烯和带电生物分子之间的静电扩散，从而降低石墨烯生物传感器的灵敏度。韩国Sungkyunkwan University的Ji Eun Kim等人通过肽蛋白感受器的单分子自组装研究了一种高灵敏度石墨烯生物传感器。沿着石墨烯的Bravais晶格，通过π-π相互作用，利用肽蛋白感受器实现了石墨烯通道的非共价功能。
　　5 一种带有阻抗生物传感器的微流体芯片[5]
　　越南科学技术学院的Tuan Vu Quoc和台湾国立中正大学的Meng-Syuan Wu等人研究设计并制作了一种低成本的蛋白质检测生物芯片。在结隙处自组装的金纳米颗粒形成的纳米断裂被应用于离子富集和耗损，从而在微通道中发生电渗流动时形成捕获区。基于锁入放大器技术，实现了一种阻抗测量模块，以测量检测区域内被困蛋白在金电极上产生的抗体生长过程中的阻抗变化。阻抗测量结果证实了被捕获蛋白质的存在。在10-100kHz的频率范围内测量，用作蛋白质存在前后检测区域的可分辨阻抗剖面验证了所提出系统的性能。
　　6 利用乙醇氧化酶检测甲醛的光学生物传感器[6]
　　印度尼西亚大学的A.Rachim等人成功地制备了一种以乙醇氧化酶（AOX）酶为基础检测水溶液中甲醛的新型简易生物传感器。乙醇氧化酶（AOX）固定在含有铬离子的聚正丁丙烯酸酯-n-丙烯酰胺（NBA-NAS）膜上。用紫外可见光吸收光谱检测，可以发现AOX和甲醛之间的化学反应产生了生色离子载体的颜色变化。A.Rachim等人主要研究了磷酸盐缓冲溶液的浓度优化、响应时间、酶量和生物传感器检测范围。研究结果表明，磷酸钙溶液的最佳浓度为0.05M，pH值為7。最佳反应时间为3分钟，生物传感器酶的最佳单位为1单位/样品，生物传感器的检测范围为0.264mM，R2=0.9421。
　　7 一种非侵入性车载酒精生物传感器[7]
　　加拿大多伦多大学的Yi Jun Liu等人应用基于激光的波长调制差分光热辐射计（WM-DPTR）开发了一种非侵入式车载酒精生物传感器。WM-DPTR具有前所未有的乙醇特异性和灵敏度，通过在中红外乙醇吸收光谱的峰值和基线附近进行差异测量来抑制基线变化。生物传感器信号校准曲线来自WM-DPTR理论以及从人体血清和皮肤扩散的乙醇溶液的测量。结果表明，基于WM-DPTR的校准酒精生物传感器在0-100mg/dl的乙醇浓度范围内可以达到较高的精度和准确度。高性能酒精生物传感器可集成到点火联锁中，这些联锁可作为通用配件安装在车辆中，以减少酒后驾车事件。 　　8 用于药物中精氨酸测定的电导滴定生物传感器[8]
　　乌克兰国立基辅大学的O.V.Soldatkina等人研制了一种基于共固定化脲酶和精氨酸酶的新型生物传感器，用于药学中精氨酸的測定。他们首先对各项参数（精氨酸酶、脲酶和戊二醛浓度，孵育时间，缓冲离子强度，容量，pH和Mn2+浓度）进行了优化，然后得到了传感器的主要分析特性——检出限为-2.5μM，线性范围为-2.5～500μM，对精氨酸的敏感性为13.4±2.4μS/mm，响应时间为-20s。此外，传感器对精氨酸的选择性与其它氨基酸的选择性有关。所研制的生物传感器已用于测定某些药物中精氨酸的浓度，所获得的结果与生产者宣称的特征高度相关。
　　9 小结
　　专家们在多孔光子晶体外腔激光生物传感器、用于癌症检测的微流体生物传感器、高灵敏度石墨烯生物传感器、用于蛋白质预浓缩和检测的微流体芯片、光学生物传感器、乙醇生物传感器和测定药物中精氨酸浓度的电导滴定生物传感器等方面进行了诸多研究，其研究成果将有利于促进生物医学的发展。
　　参考文献：
　　[1]Sanjay KisanMetkar，KoyeliGirigoswami：Diagnostic biosensors in medicine-A review[J].Biocatalysis and Agricultural Biotechnology，Volume 17，January 2019，Pages 271-283.
　　[2]Qinglan Huang，Jessie Peh，&Paul J.Hergenrother，Brian T.Cunningham：Porous photonic crystal external cavity laser biosensor[J].Appl.Phys.Lett.109，071103（2016）.
　　[3]Aditya Sharma Ghrera，Chandra Mouli Pandey，Md.Azahar Ali，&Bansi Dhar Malhotra：Quantum dot-based microfluidic biosensor for cancer detection[J].Appl.Phys.Lett.106，193703（2015）.
　　[4]Ji Eun Kim，Young Hyun No，Joo Nam Kim，Yong Seon Shin，Won Tae Kang，Young Rae Kim，Kun Nyun Kim，Yong Ho Kim，&Woo Jong Yu：Highly sensitive graphene biosensor by monomolecular self-assembly of receptors on graphene surface[J].Appl.Phys.Lett.110，203702（2017）.
　　[5]Tuan Vu Quoc1，Meng-Syuan Wu2，Tung Thanh Bui3，Trinh Chu Duc3，&Chun-Ping Jen：A compact microfluidic chip with integrated impedance biosensor for protein preconcentration and detection[J].Biomicrofluidics 11，054113（2017）.
　　[6]A.Rachim，A.P.Sari，Nurlely，&V.Fauzia：Fabrication and optimisation of optical biosensor using alcohol oxidase enzyme to evaluate detection of formaldehyde[J].AIP Conference Proceedings 1862，030047（2017）.
　　[7]Yi Jun Liu，Andreas Mandelis，&Xinxin Guo：An absolute calibration method of an ethyl alcohol biosensor based on wavelength-modulated differential photothermal radiometry[J].Review of Scientific Instruments 86，115003（2015）.
　　[8]O.V.Soldatkina，O.O.Soldatkin，T.P.Velychko，V.O.Prilipko，M.A.Kuibida，&S.V.Dzyadevych：Conductometric biosensor for arginine determination in pharmaceutics[J].Bioelectrochemistry，Volume 124，December 2018，Pages 40-46.
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