生化传感器是指能感应（或响应）生物、化学量，并按一定规律将其转换成可用信号（包括电信号、光信号等）输出的器件或装置。它一般由两部分组成，其一是生化分子识别元件（感受器），由具有对生化分子识别能力的敏感材料（如由电活性物质、半导体材料等构成的化学敏感膜和由酶、微生物、 DNA 等形成的生物敏感膜）组成；其二是信号转换器（换能器），主要是由电化学或光学检测元件（如电流、电位测量电极，离子敏场效应晶体管，压电晶体等）。然而，随着当前各种新材料、新原理和新技术的不断发展，特别是微电子机械系统 (Micro electro mechanical system ， MEMS) 技术和生物芯片技术的出现，目前生化传感器的概念已经跳出了原来狭义的圈子，扩展为以微型化、集成化、智能化和芯片化为特征的生化微系统。
各种新型加工材料和先进制造技术的出现给当前生化传感器的发展带来巨大的推动力。电子集成电路（ IC ）工艺技术，特别是 MEMS 技术在生化传感器中的应用，加速了生化传感器的微型化、集成化和多功能化。 MEMS 技术是在微电子器件制造技术的基础上进一步融入微机械加工技术，并把两者结合起来的微制造技术。它包括了平面工艺中的光刻、氧化、扩散、 CVD 生长、镀膜、压焊等，又增加了三维加工工艺，如双面光刻、各向异性和各向同性化学腐蚀、等离子深刻蚀、 LIGA （光刻、电铸、铸塑）技术、硅—硅键合、硅—玻璃键合等等，加工尺度在微米级。
以生物传感器为例来说，继第一代传统的酶电极和第二代便携式实用性葡萄糖酶电极之后，现在正在研制第三代阵列化、集成化、多功能化器件。把血糖、血酯、酮体和乳酸等四种参数的检测集成在一个芯片上，这样对糖尿病患者，不仅能检测血糖指标，还检测血脂（高血酯不仅引发高血压、动脉粥样硬化还将诱发糖尿病加重）、酮体和乳酸指标。把检测四种参数功能集成化，而只采一滴不到 5 m l 的血样，就可以给出全面结果，这是新一代血糖检测仪。同样，检测血液中 pH 、 pO 2 、 pCO 2 含量的血气检测仪也正在向微型化、集成化、多功能化的方向发展，不久的将来就会商品化。
随着纳米技术的发展，纳米生物学、纳米医学诞生了，生化传感器在纳米技术的推动下也带来了的新的革命；一些纳米传感器和纳米执行器应运而生。例如有一种为糖尿病人研制的超小型的、模仿健康人体内的葡萄糖检测系统的智能药丸，即为纳米智能药物，它能被植入皮下，监测血糖水平，必要时释放出胰岛素，使人体内的血糖和胰岛素含量总处于正常水平。由生物大分子构成，利用化学能进行机械做功的分子马达，也是一种纳米系统，它包括线性推进和***式推进两类。 DNA 解旋酶是线性分子马达，而生物体中普遍存在的三磷酸线苷酶（ ATP ）是***式分子马达。近年来科学家利用 ATP 酶作为分子马达（被称为纳米机电设备——“纳米直升机”）进入人体细胞，完成在人体细胞内发放药物等任 务。图 3 为 ATP 酶分子马达示意图。
纳米传感器目前已有多种型号，比如，有种能探测单个活细胞的纳米探针，可插入活细胞内，探知会导致肿瘤的早期 DNA 损伤程度；还有一种 DNA 纳米传感器，很容易把锌、镍、钴等离子并入 DNA 的双螺旋中心，从而获得新的 DNA 导电体。由于其能够选择性结合，从而可探测遗传 DNA 畸变或鉴别环境毒素等。另外，利用纳米技术的两大效应——量子尺寸效应和表面效应可把传感器的性能提高到新水平，使其不仅体积更小、而且速度更快、精度更高和可靠性更好。基于表面效应的纳米结构敏或膜是当前气敏传感器研究的热点，如把纳米金颗粒引入敏感膜制备中，则生化传感器灵敏度等性能有极大的提高。 Mirkin ， Lin 等采用金纳米— DNA 探针识别靶基因的成功表明，纳米技术能对 DNA 传感器的灵敏度、稳定性及专一性发挥重要作用。 [3]
生物芯片技术是随着人类基因组计划的实施发展起来的新兴技术，尽管生物芯片这一概念并不是在生化传感器的基础上提出来的，但自从 1990 年瑞士科学家 Manz A. 提出微全分析系统（ Micro Total Analytical System ， m TAS ）这一概念以来，生化传感器从此步入了一个崭新的发展阶段，如今，生化传感器的发展思路不再仅仅局限于其自身的微型化和集成化，而是朝着以分析化学和分析生物化学为理论基础，以微电子机械系统技术为技术依托，以微管道网络芯片为结构特征，以系统集成为最终目标的生化微系统方向发展。所以，以芯片化为结构特征的生物芯片系统不仅是当前生化传感器的一个重要的组成部分，更是未来生化传感技术发展的一个重要方向。纵观当前的生物芯片技术，依据芯片结构及工作机理不同，通常可以分为两大类：即微阵列芯片（ Microarray chip ）和微流体芯片（ Microfluidic chip ）。
微阵列芯片主要包括基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片、组织芯片等，其中基因芯片是微阵列芯片中最先实现商品化的产品，目前市场上出现的微阵列芯片大多数是基因芯片；蛋白质芯片是微阵列芯片研制中极有潜力的一种芯片，因为它是从蛋白质水平去了解和研究各种生命现象。图 6 是 Affymetrix 公司研制的一种平面阵列 P53 基因芯片，由 50000 个 DNA 探针组成，试图监测 400 个以上的 DNA 突变。通过分子生物学，表面 / 界面化学，分子电子学和仿生学的发展与结合，基因检测技术得以完善，最终达到能快速、准确、特异地揭示分子异常事件，为临床诊断提供可靠的依据的目标。此外，美国 Motorola 公司发展了一种基于电化学传感器阵列的基因芯片，他们巧妙地把基因芯片技术与 DNA 生物传感器技术结合起来，大大减化了检测仪器，同时也加快了分析速度。事实上，无论是基于光学原理还是电化学原理检测的微阵列芯片，芯片点阵中的每一个单元微点都可以看作生化传感器的一个探头，所以生化传感技术的精髓已经应用到了当前生物芯片系统的发展上。
微流体芯片通常又称为芯片实验室（ Lab On a Chip, LOC ） , 按其功能不同，可以分为样品处理芯片、生化反应芯片以及结果检测芯片，但其发展的最终目标是把上述三种具有不同功能的芯片集成化，实现检测过程的连续化和一体化，最终达到微全分析的目的。中科院传感技术国家重点实验室采用硅微加工技术和塑性材料加工技术，已制作出 DNA 样品处理芯片， PCR 芯片和集成毛细管电泳芯片，如图 7 所示。
在各种单一的功能芯片得到充分研究的基础上， 1998 年 Burns M. A. 等人构建了一个集成的纳升级 DNA 分析系统，如图 8 所示，该集成分析系统融合了多项芯片技术，具有较高智能度和集成度。其大小为 47mm × 5mm × 1mm ，采用标准光蚀刻技术和微细加工技术，在硅片基上构建了各种微流体网络及各种复杂的功能器件。在计算机控制下，流体由芯片外围的空气泵进行驱动，流体定位和计量由微沟道中的疏水区带来完成，集成在芯片上的加热子和温度传感器对扩增室的温度进行精确监控，扩增后的 DNA 样品通过压力输送到电泳注样口，然后在电场作用下实现电动进样和电泳分离。整个系统除了激发光源、压力源和控制电路部分外，其他部分都已经制作在微芯片上了。这种整合了纳升进样器、温控反应室、样品混合及定位、电泳分离和荧光检测等系统的高度集成装置的出现，表明复杂系统可缩微到微纳米大小，推动了实验室的微型化和芯片化。 [4]
在这里我们还要特别介绍一下基于电化学传感器的电泳芯片实验室系统，其结构如图 9 所示。 Wang J 领导的研究小组在这一领域做了大量的卓有成效工作，并对其进行了非常系统深入的研究。他们首先构建了一套基于柱前生化反应、柱中电泳分离和柱后电化学检测的生化微系统分析平台。实验时，首先让样品溶液中的葡萄糖与葡萄糖氧化酶在入柱前发生衍生化反应生成具有电活性的 H 2 O 2 ， 接下来生成的 H 2 O 2 与尿酸、抗坏血酸在微毛细管柱中进行电泳分离，最后在电泳柱末端丝网印刷碳电极分别对它们进行电化学响应，从而实现对尿酸、抗坏血酸的直接电化学检测和葡萄糖的间接电化学检测。该芯片实验室系统既有效地利用了电化学传感器检测的高灵敏度和酶反应的高特异性，更是充分发挥了毛细管电泳芯片分离的高效性，由于该系统从芯片本身到电化学检测的外围设备都可以全部微型化，从而实现真正意义的便携式系统。所以基于这一理念设计的芯片实验室系统，在未来床边检测（ point of care test ， POCT ）芯片的开发方面将具有极高的应用价值和广阔的应用前景。 [5]
医疗电子
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2008-04-01
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