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医学中传感器运用进展

2012-11-08 15:47 来源:生物医学论文 人参与在线咨询

本文作者:刘传银 胡继明 单位:襄樊学院化学工程与食品科学学院 生物医学分析化学教育部重点实验室

生物传感器是由生物活性单元(如酶、抗体、蛋白质、核酸和细胞等)和信号转换器组成并利用生物识别原理来进行检测的一种装置[1]。它是一种由生物、化学、物理、医学和电子技术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术,具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、在复杂的体系中进行在线连续监测,及其易于自动化、微型化与集成化的特点。特别是近年来分子生物学、微电子学、光电子学、微细加工技术及纳米技术等新学科和新技术的进展,使生物传感器的研究蓬勃发展,成为新兴的高技术产业的重要组成部分。根据分子识别元件与待测物结合的性质可将生物传感器分为生物催化型(代谢型)和生物亲和型(受体型)。生物亲和型传感器是利用分子间特异的亲和性,即生物活性物质对底物的亲和或键合作用而建立起来的,如免疫传感器、受体传感器和DNA传感器等。根据生物反应产生信息的物理或化学性质,可采用电化学、光谱、热、压电和表面声波等技术进行检测[1]。本文按照传感信号方式的不同,对近年来亲和型生物传感器在生物医学上的进展予以综述。

1免疫传感器

癌症是人类健康的杀手,是否能较早诊断出癌症的前期征兆是影响癌症患者恢复的关键因素。众所周知,在肿瘤发展的过程中,肿瘤组织或细胞会释放出一些特异性的蛋白质进入循环体系,而这些特异性蛋白在血液中的含量水平标志着肿瘤发展的阶段,所以在生物医学上常将这些特异性蛋白称为肿瘤标记物。临床医学上常将这些肿瘤标记物的检测作为临床检验和诊断的重要依据[1]。生物化学、酶联免疫和分子生物学等多种方法已用于肿瘤标记物的检测,虽然这些方法具有较高的选择性、准确度,但是存在辐射威胁、耗时和费用较高等缺点。由于免疫传感器结合了免疫反应的特异性分子识别和便利的检测技术而得到研究者的普遍关注,故开发快速而准确的肿瘤标记物的免疫传感器成为生物医学检测的研究热点。肿瘤标记物一般分为以下几类:酶、糖蛋白、粘糖蛋白、激素、免疫分子和癌基因等。临床医学实践表明,甲胎蛋白(AFP)、降血钙素(CT)、癌胚抗原(CEA)、人绒毛膜促性腺素(hCG)、前列腺特异抗原(PSA)、鳞状上皮细胞抗原(SCCA)、神经元特异性烯醇酶(NSE)和CA(CarcinomaAntigen)等均是典型的肿瘤标记物[1]。如肠癌的肿瘤标记物为CEA、CA19-9和CA24-2;前列腺癌的肿瘤标记物为F-PSA、PSA和PAP。按照免疫传感器检测信号的不同,可分为电化学型、光学型和质量敏感型等。

1.1电化学免疫传感器

电化学免疫传感器可再分为电位型、电容型和电流型。电位型传感器在免疫传感中应用不多。梁茹萍等[2]利用戊二醛交联CA15-3抗体的电位型免疫传感器用于乳腺癌CA15-3的检测,获得了良好的检出限(5U/mL)和稳定性(30d)。Fu等[3]制备了40nm的氧化铁纳米柱修饰碳糊电极,用于固定CEA建立了测定CEA的电位型免疫传感器。其线性范围为1.5~80μg/L,检出限为0.9μg/L。对临床血液样本的检测结果与酶联免疫法相符合。Zhou等[4]将纳米金吸附在溶于PVC的邻苯二胺的氨基上,制备了一种增塑的PVC膜的电位传感器用于α-AFP的检测。该传感器的响应时间短(4min)、检出限低(1.6μg/L)。但电位型免疫传感器的不足之处在于:信噪比较低,线性范围窄,非特异性抗体-抗原作用及背景信号较高。电容型免疫传感器是一种高灵敏非标记型免疫传感技术。在电容型免疫传感器的制作中,传感界面的构建和生物识别层的固定是影响其性能的重要因素。可采用半导体氧化物膜、自组装单分子膜、电聚合膜、溶胶凝胶膜和等离子体聚合膜等来构建电容型免疫传感器。Fernandez-Sanchez等[5]研制了可以用于检测PSA的免疫传感器。他们将对pH敏感的聚合物附着在电化学传感器的表面,用于快速而灵敏地检测亲和反应过程中的电容及阻抗变化,实现了对PSA的灵敏检测。Quershi等[6]在纳米晶钻(NCD)-interdigitatedgold(GID)电极表面固载抗体,进而通过电容法测定心血管标记物CRP。结果表明,电容器的灵敏度表现在两个方面,一是当抗体与抗原结合后,极化常数和弛豫时间常数明显增大,二是传感器的灵敏度与抗体浓度及施加频率紧密相关。袁若等[7]报道了一种在玻碳电极表面修饰金纳米粒子,进而吸附CEA抗体,用铁探针离子的阻抗特性来检测CEA,获得了良好的检出限和灵敏度。

Rajesh等[8]在ITO修饰电极上利用自组装膜固定α-CRP,利用电化学阻抗法检测α-CRP抗体与抗原的亲和作用,其检出限达到3.5μg/L。由于电容法和阻抗法可以获取直接、非标记的亲和信号,所以在临床诊断上具有良好的发展前景。但电容法存在的问题在于响应电容易受到非特异性吸附的影响,其重现性不如法拉第阻抗法与伏安法。所以如何优化传感界面,改善响应电容的重现性和稳定性仍是电容型免疫传感器发展中的关键问题。电流型免疫传感器备受研究者的关注。由于大多数待测物不能直接参与电化学反应,常采用加入电子媒介体和标记酶来催化底物转化为电活性物质来制备传感器。虽然加入电子媒介体会降低检出限,但其分离和洗涤步骤限制了它在生物医学上的广泛应用。而基于标记酶的直接电子传递的免疫传感器则简化了分离和洗涤步骤,在生物医学上的应用更有吸引力。鞠幌先研究组曾对肿瘤标记物的电流型传感器进行了深入的研究[9-12]。如将硫堇和HRP标记的CEA抗体通过戊二醛交联在电极表面,制成了一种具有良好稳定性的传感器。该传感器减少了加入电子媒介体的麻烦,并且不需乳化和洗涤,线性范围为0.5~3.0和3.0~167μg/L,检出限为0.1μg/L,重现性良好[10]。他们还研究了基于HRP的直接电子传递的免疫CEA传感器,对CEA的检出限为0.3μg/L,并将实际样品的检测结果与临床检测方法相比照,获得了满意的结果[12]。除此之外,研究人员还结合纳米粒子的电子传导、丝网印刷技术、微流控装置、毛细管电泳和流动注射等技术对肿瘤标记物的检测进行了研究。

Jin等[13]结合毛细管电泳和电化学检测技术,对肿瘤标记物CA125进行了检测。Kojima等[14]设计了一种包含36个Pt微电极的阵列,运用不同的抗体来捕获肿瘤标记抗原,采用电化学免疫检测技术实现了多标记物的同时检测。Wilson等[15]采用双电极的免疫传感器同时采用安培法测定了CEA和AFP,获得了1μg/L的低检出限,并有效抑制了交叉干扰。研究表明,这些新技术在免疫传感器中的引入,不仅降低了待测物的检出限,而且可以有效降低共存物质的干扰,并可实现多通道同时检测多种肿瘤标记物。由于纳米材料的独特性质,使其在实时、灵敏检测标记物方面具有广泛的应用前景。如Zheng等[16]利用抗体功能化的二氧化硅纳米线制备了一种新型传感器,用于在血浆中的癌症标记物的非标记实时监测。Ramanathan等[17]和Willner等[18]曾报道利用聚合物纳米线和碳纳米管进行相关生物亲和体系内标记物的检测。Wu等[19]将CEA/纳米金通过壳聚糖固定在丝网印刷电极上,结合流动注射法建立了一种快速而方便的CEA电化学免疫传感器,CEA检测的线性范围为0.50~25μg/L,检出限为0.22μg/L。该传感器通过流动注射HRP-anti-CEA,故可以控制乳化时间,并易于自动化。Wang等[20]将聚鸟嘌呤功能化的二氧化硅纳米粒子标记坏疽抗体的夹心型传感器用于坏疽因子的电化学测定,可直接用于生物样品中坏疽因子的检测,检出限为2.0pmol/L。Chen等[21]在玻碳电极表面气相沉积纳米金/硅溶胶,将HRP功能化的hCG抗体固定于其上,建立了一种无试剂的电化学免疫传感器用于hCG的灵敏检测,其检出限为0.3mIU/mL。Wang等[1]对近年来功能化碳纳米管在肿瘤标记物上的应用进行了综述。

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