胡希俅
(湖北中医药高等专科学校中药系,湖北 荆州 434020)
临床检验是临床医学不断发展的重要推动力。在临床医学中,如何快速判断与了解疾病类型、特征等是研究的重要方向,因为只有如此,才能及时制定出治疗方案,从而让患者尽快摆脱病痛折磨。传统的临床检验主要采用 实验室方法 ,不仅操作烦琐,而且不能快速获得检验结果,因此,难以满足临床医学的要求。随着科学技术发展,生物传感器得到了开发,在应用于临床检验后,其对于被测样品的高度敏感性与选择性提升了临床检验的精确度,信号转换的快速性促进了临床检验效率的提高,再加上操作简便的优点,生物传感器在临床检验中的重要性进一步提升。
生物传感器是一种依托生物反应接收信号的检测装置,具体来说,生物传感器是由两部分组成,一部分为生物分子识别元件,其作用是识别检测对象内部的生物活性物质;另一部分为信号转换元件,其作用是将检测到的生物信号转化为其他能被辨识的信号,比如,电信号、光信号、热信号、声信号等。生物传感的工作原理是首先被检测样品在经过生物分子识别元件作用后会形成相对应的生物学反应信息,然后生物学反应信息经过信号转换元件处理形成电信号、光信号等,最后传入二次仪表。
生物传感器可以从三个层面进行分类:(1)基于生物分子识别元件类型,可以分为酶生物传感器、微生物传感器、核酸生物传感器、蛋白质生物传感器等。酶生物传感器是利用酶的催化作用进行检测,由于酶对温度、酸碱值等具有较高要求,因此,在使用时需要控制好反应条件,否则,会影响酶的活性,造成检测结果不准确;核酸生物传感器是利用碱基互补配对规律进行检测,主要检测对象为核酸、蛋白质等富含碱基的物质;蛋白质生物传感器主要是利用抗体与抗原特异性反应进行检测,比如,在检测人体血清蛋白时,可以使用以血清抗体为生物分子识别元件的传感器;微生物传感器主要是利用微生物代谢反应进行检测,如代谢产物、生化耗氧量等,都是重要的分析指标。(2)基于信号转换元件,可以分为电化学生物传感器、光学生物传感器、压电晶体生物传感器、半导体生物传感器等。电化学生物传感器是通过电极反应将生物信号转化为电化学信号,电极反应效果主要受到电子传递影响,目前,纳米材料依托对生物识别元件的高亲和性、吸附性、催化性等提高了电子传递效率,成为电化学传感器重点应用对象;光学生物传感器是利用光学反应将生物信号转化为光信号,主要包括紫外可见吸收光谱、荧光光谱、拉曼光谱、等离子共振光谱等类型;压电晶体生物传感器是利用压电效应进行信号转换,在具体应用中,主要是通过压电晶体表面承载质量变化促使其振荡频率发生改变引发压电效应;半导体生物传感器是利用半导体特殊导电性质完成信号转换,不仅有着较高的检测灵敏度,而且可以依托 放大器 原理实现信号放大检测。(3)基于检测物与生物识别元件反应特点,分为亲和型生物传感器、代谢型生物传感器、催化型生物传感器,其中亲和型生物传感器最为常用,但精度水平相比代谢型、催化型较低,而后两种类型对反应条件较为 苛刻 。
在酶生物传感器中,酶是生物分子识别元件的主要物质,为了提升传感器使用效率,会通过固定化酶技术将酶转化为能够反复和连续使用的酶。酶生物传感器在临床检验中主要用于测定葡萄糖、乳酸、胆固醇等成分的含量,从而为制定临床方案或临床计划提供依据。葡萄糖酶传感器主要用于治疗糖尿病。糖尿病是由于人体代谢紊乱、内分泌失调形成的疾病,目前,医学上还没有彻底治愈这一疾病的方法,因此,糖尿患者主要是通过维持体内血糖稳定来弱化病症。葡萄糖酶传感器可以用于检测患者体内的葡萄糖水平,而后医生会以此为依据为患者注射相应的胰岛素量,目前,葡萄糖酶传感器已经达到了能够快速、准确、稳定、连续检测血糖浓度的水平,这对于糖尿患者来说是一个利好消息,能够有效提升糖尿病治疗效率。尿素传感器可用于肾脏疾病的诊断和治疗,比如,在治疗慢性肾功能衰竭时需要不定期进行透析,而要想确定透析时间与次数,必须使用尿素传感器对尿素进行定量检验。除了葡萄糖酶传感器与尿素传感器外,临床检验中,使用的酶生物传感器还有乳酸酶传感器、胆固醇传感器等。
微生物传感器较之酶传感器具有更好的稳定性,并且微生物的制备成本较低,能够在一定程度上减少临床检验投入。目前,微生物传感器主要检测对象包括糖、醇、酸、氨基酸等,但是,检测效率会弱于酶生物传感器,因此,并不具有太高的选择性。另外,微生物传感器使用过程中会因为微生物代谢产生有毒有害物质,从而使传感器的检测效果与使用期限受到影响,因此,目前微生物传感器在临床检验中应用范围较小。大肠杆菌传感器可以用于测定体内大肠杆菌分布情况以及是否超标。大肠杆菌是一种寄生于人体大肠和小肠内的无害细菌,正常情况下,不仅不会对身体造成危害,还能对有毒有害病菌的繁殖起到一定的抑制作用,但是,当机体免疫力下降后,大肠杆菌会因为过度繁殖开始向肠道外部迁移,进而引发胆囊炎、尿道炎、膀胱炎等疾病。临床检验中,使用大肠杆菌传感器能够快速了解体内大肠杆菌的相关情况,并以此为基础来判断某种病症是否由大肠杆菌引起。目前,临床检验中应用较多的微生物传感器还有油门螺旋杆菌传感器、念球菌传感器等。
蛋白质生物传感器主要是利用抗原与抗体特异性反应发挥作用。在实际应用中,蛋白质生物传感器能够将抗原与抗体反应信号记录下来,而后通过动力学分析判断反应信号类别,如果属于特异性反应,则能根据抗体属性判断抗原属性,如果属于非特异性反应,则需要更换传感器抗体感应元件。因此,蛋白质生物传感器具有更好的检测准确性,并且当前大部分抗体都能完成制备,因而其检测范围较为宽广。甲胎蛋白传感器主要用于检测甲胎蛋白含量。甲胎蛋白在人体内部发挥重要作用,比如,运输营养、调节生长因子等,而根据最新研究,发现肿瘤中的甲胎蛋白具有较高浓度,因而肿瘤检测中通常会将甲胎蛋白含量作为检测指标。甲胎蛋白传感器不仅可以通过检测甲胎蛋白含量判断肿瘤状况,还能在治疗过程中发挥监测作用,预防肿瘤的恶性发展。甲胎蛋白传感器的检测浓度最低可达5ug/L,有利于提升临床检验的精确度。还有一种蛋白质传感器专门用于胰岛素的检测,检测浓度最低可达1ug/L,可以更加精确地了解机体内胰岛素含量。这一传感器通常与葡萄糖酶传感器配合使用,能够在糖尿病治疗中发挥重要作用。糖尿病一般不是单独出现,而是会伴随其他病症,因此在使用传感器进行检测时需要科学选择,比如,在治疗糖尿病肾病患者时,会使用等离子共振蛋白质传感器,这种传感器可以更精确地检测患者尿样中的蛋白含量,从而为临床诊断与治疗提供依据。
核酸传感器的生物分子识别元件为游离的核酸分子,在进入被检测样本内部时,会通过碱基互补配对与样本核酸核酸链结合,而后根据生成核酸链的排列顺序做出判断。DNA生物传感器在临床检验中主要用于检测结核杆菌、乙型肝炎病毒、艾滋病毒等一系列感染性疾病。在检测过程中,传感器可以在短时间内通过碱基互补配对完成对检测样本相关信息的收集,不仅可以让医生判断疾病类型,还能通过呈现配对过程了解疾病形成时的每个阶段,从而在治疗时可以更好地“对症下药”。目前,我国研制的丙型肝炎病毒核酸生物传感器已经应用于临床检验中,但由于成本较高,尚没有得到广泛推广。核酸生物传感器还具有一大优势,即可以对药物治疗过程进行监测,如果可以应用于临床检验中,则能使临床治疗效果更上一层楼。