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生物醫學論文( 共有論文資料 28 篇 )
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醫學中傳感器運用進展

2012-11-08 15:47 來源:生物醫學論文 人參與在線咨詢

本文作者:劉傳銀 胡繼明 單位:襄樊學院化學工程與食品科學學院 生物醫學分析化學教育部重點實驗室

生物傳感器是由生物活性單元(如酶、抗體、蛋白質、核酸和細胞等)和信號轉換器組成并利用生物識別原理來進行檢測的一種裝置[1]。它是一種由生物、化學、物理、醫學和電子技術等多種學科互相滲透成長起來的高新技術,具有選擇性好、靈敏度高、分析速度快、成本低、在復雜的體系中進行在線連續監測,及其易于自動化、微型化與集成化的特點。特別是近年來分子生物學、微電子學、光電子學、微細加工技術及納米技術等新學科和新技術的進展,使生物傳感器的研究蓬勃發展,成為新興的高技術產業的重要組成部分。根據分子識別元件與待測物結合的性質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,即生物活性物質對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。根據生物反應產生信息的物理或化學性質,可采用電化學、光譜、熱、壓電和表面聲波等技術進行檢測[1]。本文按照傳感信號方式的不同,對近年來親和型生物傳感器在生物醫學上的進展予以綜述。

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的關鍵因素。眾所周知,在腫瘤發展的過程中,腫瘤組織或細胞會釋放出一些特異性的蛋白質進入循環體系,而這些特異性蛋白在血液中的含量水平標志著腫瘤發展的階段,所以在生物醫學上常將這些特異性蛋白稱為腫瘤標記物。臨床醫學上常將這些腫瘤標記物的檢測作為臨床檢驗和診斷的重要依據[1]。生物化學、酶聯免疫和分子生物學等多種方法已用于腫瘤標記物的檢測,雖然這些方法具有較高的選擇性、準確度,但是存在輻射威脅、耗時和費用較高等缺點。由于免疫傳感器結合了免疫反應的特異性分子識別和便利的檢測技術而得到研究者的普遍關注,故開發快速而準確的腫瘤標記物的免疫傳感器成為生物醫學檢測的研究熱點。腫瘤標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。臨床醫學實踐表明,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)、鱗狀上皮細胞抗原(SCCA)、神經元特異性烯醇酶(NSE)和CA(CarcinomaAntigen)等均是典型的腫瘤標記物[1]。如腸癌的腫瘤標記物為CEA、CA19-9和CA24-2;前列腺癌的腫瘤標記物為F-PSA、PSA和PAP。按照免疫傳感器檢測信號的不同,可分為電化學型、光學型和質量敏感型等。

1.1電化學免疫傳感器

電化學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用不多。梁茹萍等[2]利用戊二醛交聯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。對臨床血液樣本的檢測結果與酶聯免疫法相符合。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。該傳感器的響應時間短(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較高。電容型免疫傳感器是一種高靈敏非標記型免疫傳感技術。在電容型免疫傳感器的制作中,傳感界面的構建和生物識別層的固定是影響其性能的重要因素。可采用半導體氧化物膜、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pH敏感的聚合物附著在電化學傳感器的表面,用于快速而靈敏地檢測親和反應過程中的電容及阻抗變化,實現了對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,進而通過電容法測定心血管標記物CRP。結果表明,電容器的靈敏度表現在兩個方面,一是當抗體與抗原結合后,極化常數和弛豫時間常數明顯增大,二是傳感器的靈敏度與抗體濃度及施加頻率緊密相關。袁若等[7]報道了一種在玻碳電極表面修飾金納米粒子,進而吸附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,利用電化學阻抗法檢測α-CRP抗體與抗原的親和作用,其檢出限達到3.5μg/L。由于電容法和阻抗法可以獲取直接、非標記的親和信號,所以在臨床診斷上具有良好的發展前景。但電容法存在的問題在于響應電容易受到非特異性吸附的影響,其重現性不如法拉第阻抗法與伏安法。所以如何優化傳感界面,改善響應電容的重現性和穩定性仍是電容型免疫傳感器發展中的關鍵問題。電流型免疫傳感器備受研究者的關注。由于大多數待測物不能直接參與電化學反應,常采用加入電子媒介體和標記酶來催化底物轉化為電活性物質來制備傳感器。雖然加入電子媒介體會降低檢出限,但其分離和洗滌步驟限制了它在生物醫學上的廣泛應用。而基于標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,在生物醫學上的應用更有吸引力。鞠幌先研究組曾對腫瘤標記物的電流型傳感器進行了深入的研究[9-12]。如將硫堇和HRP標記的CEA抗體通過戊二醛交聯在電極表面,制成了一種具有良好穩定性的傳感器。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CEA的檢出限為0.3μg/L,并將實際樣品的檢測結果與臨床檢測方法相比照,獲得了滿意的結果[12]。除此之外,研究人員還結合納米粒子的電子傳導、絲網印刷技術、微流控裝置、毛細管電泳和流動注射等技術對腫瘤標記物的檢測進行了研究。

Jin等[13]結合毛細管電泳和電化學檢測技術,對腫瘤標記物CA125進行了檢測。Kojima等[14]設計了一種包含36個Pt微電極的陣列,運用不同的抗體來捕獲腫瘤標記抗原,采用電化學免疫檢測技術實現了多標記物的同時檢測。Wilson等[15]采用雙電極的免疫傳感器同時采用安培法測定了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的干擾,并可實現多通道同時檢測多種腫瘤標記物。由于納米材料的獨特性質,使其在實時、靈敏檢測標記物方面具有廣泛的應用前景。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記物的非標記實時監測。Ramanathan等[17]和Willner等[18]曾報道利用聚合物納米線和碳納米管進行相關生物親和體系內標記物的檢測。Wu等[19]將CEA/納米金通過殼聚糖固定在絲網印刷電極上,結合流動注射法建立了一種快速而方便的CEA電化學免疫傳感器,CEA檢測的線性范圍為0.50~25μg/L,檢出限為0.22μg/L。該傳感器通過流動注射HRP-anti-CEA,故可以控制乳化時間,并易于自動化。Wang等[20]將聚鳥嘌呤功能化的二氧化硅納米粒子標記壞疽抗體的夾心型傳感器用于壞疽因子的電化學測定,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]對近年來功能化碳納米管在腫瘤標記物上的應用進行了綜述。

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