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生物医药领域的生物传感器生物传感器是一种能够将生物和化学反应转化为电信号的装置。
它可以通过检测生物体内的化学物质、分子、细胞、蛋白质等信息，来实现对人体健康状态的监测和诊断。
因此，在生物医药领域，生物传感器具有非常重要的应用价值。
生物传感器在生物医学方面的应用，主要包括生物分子监测、细胞监测、病理诊断、疾病筛查等，它可以帮助医生实现对患者病情的快速判断和准确诊断。
同时，生物传感器可以在生物药物的研发、制造和质量控制方面扮演着重要的角色。
生物传感器的种类有很多，其中比较常见的有光学传感器、电化学传感器、场阻抗传感器、生物MEMS传感器等。
不同种类的生物传感器具有各自独特的特点和应用场景。
在生物传感器中，电化学传感器是使用较为广泛的一类传感器。
它主要通过氧化还原反应来实现信号的转换，具有响应速度快、检测范围广、灵敏度高等优点。
在生物医药领域，电化学传感器主要应用于药物筛选、细胞代谢监测、临床诊断等方面。
例如，在药物筛选方面，电化学传感器可以通过实时监测药物与靶分子之间的相互作用来确定药物的活性和选择性，提高药物研发的效率和准确性。
在细胞代谢监测方面，电化学传感器可以通过监测细胞内的代谢产物来了解细胞的代谢状态，在细胞工程、基因工程、细胞疗法等方面具有很大的应用潜力。
在临床诊断方面，电化学传感器可以用于监测血糖、血氧、血脂等生物指标，实现对患者健康状态的实时监测和诊断。
除了电化学传感器，光学传感器也是应用较为广泛的传感器之一。
光学传感器具有极高的灵敏度和选择性，可以检测生物体内非常微小的化学物质和分子，因此在分子诊断、免疫检测等方面具有重要应用价值。
例如，在分子诊断方面，光学传感器可以通过检测人体内的特定分子或生物标志物来实现对疾病的快速诊断和治疗。
在免疫检测方面，光学传感器可以通过检测抗原与抗体之间的相互作用来判断免疫反应的强度和稳定性，从而实现疾病的早期筛查和诊断。
生物MEMS传感器是一类新兴的生物传感器，它利用微机电系统的技术来制造生物传感器。
生物科技的新兴领域随着科技的快速进步，人类已经进入了一个全新的时代。
特别是生物科技，这个领域正处于不断突破和创新的阶段。
在人类健康、农业、环境保护等多个领域都涉及到了生物科技的应用。
下面就来谈谈生物科技的新兴领域。
一、合成生物学合成生物学是一种新兴的交叉学科，它综合了生物学、物理学、化学等多个学科的理论和方法。
其核心思想是通过设计和构建基因、蛋白质等生物分子来实现生物体系的定制化和优化。
这项技术的应用范围很广，涵盖人类健康、医学、环境保护、农业等多个领域。
以人类健康为例，合成生物学可以用来合成和改造药物分子，从而提高药物的疗效和安全性。
此外，通过合成生物学技术，还可以研发新的医疗器械和诊断工具，有效地识别和治疗各种疾病。
二、有机农业在有机农业领域，生物科技也有着重要的应用。
利用生物技术手段，可以精准地进行农作物的育种、生长调节和农药控制等工作。
采用生物技术手段种植的农产品，在营养价值和安全性上也有着显著的提高。
有机农业在国内外都受到了广泛的关注和推广。
在实践中，全球各地都涌现出一批有机农场和有机食品品牌。
有机农业的发展，将有助于保持农产品的健康、营养和安全性。
三、环保技术生物科技在环保领域的应用也很广泛。
其中，生物修复技术是一项颇有前景的环保技术，其基本思路是利用生物体系中的微生物、植物等生物来清除环境中的污染物。
境外的研究表明，生物修复技术可以有效地解决废水、废气等多种污染问题。
从根本上来说，这种技术的应用与环境保护的发展是息息相关的。
四、生物芯片生物芯片是一种新型的生物传感器，它可以在微观级别上检测和测量生物分子的存在和浓度。
生物芯片的应用范围很广，可以用于癌症筛查、代谢疾病的诊断和药物研发等领域。
总的来说，生物科技在人类健康、农业、环境保护等领域都有着广泛的应用。
随着这项技术的不断发展，相信生物科技将会在未来呈现更加广泛和深入的应用场景。
生物传感器在生物医学领域中的应用随着生物技术的发展，人们在生物医学领域中使用传感器来探测生理特性和疾病的发展有了越来越广泛的应用。
生物传感器是一种基于生物分子与传感器之间特定相互作用的精密仪器，可以量化测量生物分子在生物体内的浓度，从而检测生物特性的变化和病理情况。
本文将探讨生物传感器在生物医学领域中的应用。
1. 血糖传感器血糖传感器是最常见和应用最广的生物传感器之一。
它可以测量人体血液中葡萄糖的浓度，帮助糖尿病患者监测血糖水平。
目前市面上的血糖传感器大致分为两类：胶体金纳米颗粒法和电化学传感器法。
胶体金纳米颗粒法是一种基于金纳米颗粒与葡萄糖的氧化反应的方法，具有较高的灵敏度和选择性。
而电化学传感器法则是通过电化学氧化还原反应测量血液中葡萄糖浓度的方法，在监测血糖水平方面取得了很大的进展。
2. 心脏健康传感器心脏健康传感器可以检测心率、血压和其他心脏健康指标的变化，从而及早发现心血管疾病并预防其发展。
市面上的心脏健康传感器主要采用无线技术与智能手机等设备连接，实现数据的实时处理和监测。
此外，近年来，一些生物技术公司正在研发皮下植入式微型传感器，可以实时监测心脏健康指标，无需人工干预。
3. 人体运动监测传感器人体运动监测传感器可以监测运动量、活动时间和运动强度等生理运动指标，从而评估个体运动水平和健康状况。
经过多年的研究和发展，市面上已经出现了多种形式的运动监测传感器，包括可穿戴设备、智能手机应用程序等。
这些传感器可以帮助人们跟踪自己的健康状况，并提供健康建议和方案。
4. 肿瘤标记物传感器肿瘤标记物传感器是一种可以检测肿瘤标记物的生物传感器。
对于一些恶性肿瘤来说，早期的诊断至关重要。
市面上的肿瘤标记物传感器主要基于生物分子和免疫反应的原理开发而来，可以测量血液中肿瘤标记物的浓度，有助于早期肿瘤检测和治疗。
总结生物传感器在生物医学领域中的应用已经不断拓展。
随着技术的进步和研究的深入，生物传感器已经成为一种可以诊断疾病、监测健康和评估健康水平的有力工具。
生物传感器的研究进展综述一、本文概述生物传感器作为一种集成了生物识别元件和信号转换器的设备，其在生物、医学、环境、食品安全等领域的应用日益广泛。
本文旨在综述生物传感器的研究进展，包括其基本原理、分类、应用领域以及存在的挑战和未来的发展趋势。
我们将重点关注近年来在生物传感器领域的创新技术和研究成果，以期为读者提供一个全面而深入的理解。
我们将简要介绍生物传感器的基本原理，包括其工作机制和主要构成部分。
接着，我们将根据生物识别元件的不同，对生物传感器进行分类，并详细讨论各类生物传感器的特点和应用领域。
在此基础上，我们将重点分析近年来在生物传感器研究方面的主要进展，包括新材料、新技术和新方法的开发和应用。
我们还将探讨生物传感器在实际应用中所面临的挑战，如灵敏度、特异性、稳定性和寿命等问题，并就此提出可能的解决方案。
我们将展望生物传感器未来的发展趋势，预测其在未来可能的应用领域和发展方向。
通过本文的综述，我们希望能够为研究者提供一个关于生物传感器研究进展的全面视角，为其未来的研究和开发提供有益的参考。
二、生物传感器的基本原理与技术生物传感器是一种利用生物分子识别元件与物理或化学换能器相结合，对生物物质进行高选择性、高灵敏度检测的新型分析装置。
其基本原理是将生物分子识别过程（如酶促反应、抗原抗体反应、核酸杂交等）与信号转换器（如电化学电极、光学器件、压电晶体等）相结合，通过生物识别元件与待测物之间的特异性相互作用，将生物化学反应产生的信息转化为可检测的电信号、光信号或其他形式的信号，从而实现对待测物的定性或定量分析。
生物传感器的核心技术包括生物识别元件的制备与固定化技术、信号转换与处理技术，以及传感器的微型化与集成化技术。
生物识别元件的制备是实现生物传感器特异性与灵敏度的关键，常见的生物识别元件包括酶、抗体、核酸适配体、细胞和组织等。
信号转换与处理技术是生物传感器将生物识别信号转化为可测量电信号的核心，常见的信号转换方式有电化学转换、光学转换、热学转换等。
生物纳米技术在医学诊断中的应用随着科技的不断进步和发展，生物纳米技术逐渐成为了当今医学领域中不可或缺的一部分。
生物纳米技术将纳米尺度物质的特性与生物技术相结合，可以用于更准确地检测和诊断疾病。
生物纳米技术的应用在医学领域中主要包括了生物传感器技术、生物成像技术以及药物纳米载体技术。
以下将从这三个方面分别探讨生物纳米技术在医学诊断中的应用。
一、生物传感器技术生物传感器是一种通过检测生物相关分子来诊断疾病的技术。
通过将针尖大小的纳米材料与生物分子结合起来，就可以制造出高灵敏度、高选择性的生物传感器。
其中，最常见的一种生物传感器是蛋白质传感器。
蛋白质在人体内发挥着多种不同的功能，因此它们也是生物医学研究中的热门领域。
利用生物纳米技术制造的蛋白质传感器可以检测出非常细微的蛋白质变化，并且可以被用来诊断许多疾病。
例如，利用生物纳米技术制造的蛋白质传感器可以用来检测癌症标志物，从而实现早期癌症的检测和治疗。
二、生物成像技术生物成像技术是现代医学中经常用来研究生命活动和疾病的一种手段。
利用纳米材料来制造生物成像剂，可以提高成像的灵敏度和分辨率，并且可以实现更加安全的成像方法。
生物纳米技术在生物成像技术领域中的最大价值在于它可以用来制造荧光成像材料，例如量子点。
量子点是一种纳米尺寸的半导体材料，具有很强的荧光性能和多波长发射特性。
这使得量子点可以用来进行多模态成像，例如荧光成像和磁共振成像。
同时，在使用纳米材料进行生物成像的过程中，生物可能会对纳米材料产生抗原性，导致过敏反应的发生。
为了解决这个问题，生物纳米技术可以制造出低毒性低免疫性的纳米材料，可以有效降低生物对纳米材料的免疫反应。
三、药物纳米载体技术药物纳米载体技术是利用纳米尺度的材料来嵌载药物，从而实现更好的药效。
生物纳米技术可以在制造这一类型的载体材料中发挥重要作用。
药物纳米载体技术可以有效地提高药物的稳定性和生物利用度，从而使得药物可以更加准确地靶向病变部位。
生物传感器的应用领域与优势生物传感器是一种将生物体内信息转化成电信号并进行检测分析的装置。
它可以检测人体内的生物分子、细胞、组织等信息，如血液中的葡萄糖、酸碱度、蛋白质等，有着广泛的应用领域和优势。
一、医疗领域生物传感器在医疗领域中的应用主要包括疾病的诊断、治疗和监测等方面。
例如，通过检测患者血液中的葡萄糖浓度，能够实时监测糖尿病患者血糖水平，从而调整药物剂量和饮食结构，保证病患的健康。
此外，生物传感器还可以监测肝脏功能、心脏健康状态和癌症病情等，提高了医疗保健的精确性和效率。
二、环境监测生物传感器在环境监测领域中的应用主要包括空气、水、土壤等污染物的检测和监测。
从维持自然环境到防止有害的化学物质对人体健康的威胁，生物传感器在环境监测方面发挥着重要作用。
比如，通过检测水中的氨氮、硝酸盐、重金属等有害物质含量，能够实时预警水质问题，保障居民健康。
三、农业领域生物传感器在农业领域也得到了广泛的应用，主要包括精准施肥、植物病虫害检测、检测农产品中的残留物等方面。
通过检测土壤中的营养元素含量、作物生长发育过程中的植物生理状态，能够实现合理施肥，获得更好的产量和品质；通过检测农产品中的残留物，能够预防食品安全问题，保障消费者健康。
四、生命科学研究生物传感器在生命科学研究领域中也得到了广泛的应用，例如，通过检测蛋白质、DNA、RNA等分子，能够解决基因测序、药物筛选、细胞信号传导等研究问题，为新药开发和疾病治疗提供有效支持。
总之，生物传感器的应用领域非常广泛，除了以上所列举的几个方面外，还有很多其他的应用场景，例如生物燃料电池、人机交互、安全检测等等。
相比于传统的检测手段，生物传感器具有高灵敏度、高选择性、快速响应和实时监测等优势，是近年来各领域中广泛使用的分析工具。
生物传感和生物芯片技术随着人们对健康的关注程度越来越高，以及医疗科技的不断发展，生物传感和生物芯片技术逐渐成为研究热点。
生物传感技术是将生物学与传感器技术相结合，用于检测生物体内特定的生物标记物，如蛋白质、核酸、病毒等，从而实现疾病的预防、诊断和治疗。
生物芯片技术是将微型机电系统（MEMS）和电子器件制造技术应用于生物医学研究和诊断的新技术。
与传统的实验室技术相比，生物芯片具有体积小、响应快、样品需求量小等优点，因此在分子诊断、药物筛选、基因组学等领域得到广泛应用。
一、生物传感技术生物传感技术广泛应用于医疗、食品安全监测、环境监测、生物学研究等领域。
生物传感器是一种能够检测生物体内或外部环境中特定生物标记物的传感器，它由生物识别元素、传感器元件、信号放大器、信号处理器等组成。
常见的生物传感器类型包括酶传感器、免疫传感器、DNA传感器等。
酶传感器是利用酶与其底物的专一性反应，将酶催化反应所产生的物质作为检测信号。
免疫传感器则是利用抗体与其特异性抗原的结合作为检测信号。
DNA传感器则是基于DNA与其配对的特异性来作为检测信号。
生物传感技术已经被应用于医疗诊断中，如血糖测量、血流检测、心率检测等。
同时，生物传感技术也应用于食品安全监测，比如检测食品中的致病菌、毒素等，能够为保障食品安全提供有效手段。
二、生物芯片技术生物芯片技术是一种集成了微重力化学分析仪器和传感器的新型分子分析仪器。
生物芯片可以分为几类：基因芯片、蛋白芯片、细胞芯片等。
性能不同的芯片有着不同的应用范围。
例如，基因芯片用于解析大量基因数据，其应用领域主要涉及基因工程、基因组学和生物信息学等；而蛋白芯片用于鉴定特定蛋白质，常应用于药物研发、临床诊断、毒性检测等方面。
生物芯片作为一种高通量的检测技术，其主要优点包括微型化、自动化、多参数检测、高灵敏度等。
在医学方面，生物芯片技术已经成为疾病诊断和治疗的重要方法。
例如，可以利用生物芯片技术提高肿瘤筛查的准确性，同时也能够帮助药物治疗的个体化和精准化。
现代生物技术的应用生物技术是指基于生物学、生物化学、分子生物学等相关领域的知识及技术手段，对生物体进行改造、利用和研究的技术体系。
随着科学技术的不断发展，越来越多的技术手段得到了应用，从而推动了生物技术的发展。
现代生物技术的应用涉及生物药物、基因工程、生物芯片、生物传感器、生物安全等多个领域，下面将从这些方面进行阐述。
一、生物药物生物药物是指利用工程技术和生物学原理制备、提纯的生物制品，是一种重要的药物种类。
这类药物广泛应用于医学领域，如蛋白质药物、基因治疗、细胞治疗等。
其中，蛋白质药物像重组人胰岛素、重组人生长激素、重组红细胞生成素等可治疗癌症、糖尿病、贫血等疾病，这些药物的品质主要靠生物技术手段的控制和生产。
基因治疗和细胞治疗则是通过改变基因和细胞的结构和功能，达到治疗效果。
例如使用修饰后的病毒载体，将人体缺陷基因更换为正常基因来治疗某些遗传性疾病。
同时，基于干细胞技术，也可以进行干细胞治疗，例如使用自体干细胞治疗类风湿性关节炎等疾病。
二、基因工程基因工程是现代生物技术的一个重要领域，利用DNA重组、克隆、转化等技术实现对生物基因的操纵。
基因工程的应用非常广泛，例如在农业领域中，转基因作物可以改变其抗逆性、抗病性和产量等性状，从而提高农作物的产量和质量。
在医学领域中，基因工程技术也被广泛应用，例如利用BiTE双特异性T细胞刺激剂和CAR-T细胞治疗癌症，使用基因编程技术生成人工智能抗体来识别病原体等。
三、生物芯片生物芯片是一种新型的高通量生物实验技术，将生物分析技术与电子计算技术相结合，可以在极短时间内分析大量的生物信息。
生物芯片应用广泛，例如对基因表达、蛋白质相互作用、疾病诊断和药物筛选等研究领域具有重要意义。
生物芯片可用于识别某种病毒引起的疾病以及辅助诊断某些疾病，在药物筛选方面也有很大作用。
例如可以将生物样品和药物小分子化合物一起操作，实现大规模的高通量药物筛选。
四、生物传感器生物传感器是通过生物体内的信号转换转换成电信号进行检测的技术，可测量各种生命体征，如脑电波、心电图、血糖分值等。
分子生物学技术在医学检验中的应用有哪些以核酸或蛋白质等为研究对象的学科称为分子生物学。
随着DNA双螺旋结构模型的提出，分子生物学技术也为大众所认知，且受到广泛关注，不仅推动了遗传研究学进步，为生命遗传信息提供了多样化可能，也为其他相关学科的快速发展奠定了良好基础，如细胞学、血液学、生物化学以及微生物学等。
分子生物学技术也被用于现代医学，本文重点谈谈在医学检验工作中，分子生物学技术的具体应用。
分子生物学技术以核酸生化为前提为临床主治医师提供新型检验措施，使得临床病情分析、诊断工作效率与工作质量得到大幅度提升。
（一）聚合酶链式反应聚合酶链式反应（PCR）也被称为无细胞克隆技术或者多聚酶链反应。
应用PCR技术能获得丰富、全新的样品靶DNA序列缺陷，改变了传统检验诊断以及科学研究。
在临床分子生物学中，PCR技术现阶段广泛应用于食品检测、出入境检验检、寄生虫学、免疫学以及基因治疗等工作中。
在微生物学、肿瘤学以及免疫学等工作中，PCR技术也得到了非常广泛的应用。
等位基因特异性PCR技术、PCR-限制性片段长度多态性分析法等技术是PCR技术的发展延伸，前者能准确鉴定基因型，后者则能检测与特定酶切位点有关的突变手段。
此外，还包括实时荧光定量PCR、定量聚合酶链反应，该技术能对定量检测目的DNA，而且检测更加便捷，准确度也更高;而PCT-单链构象多态性技术则能检测产物的序列内多态性。
（二）生物芯片技术生物芯片技术能一次性检测大量生物分子，也被称为高通量密集型技术，不仅包括组织芯片、蛋白质芯片，还包括基因芯片。
生物芯片技术不仅可用于流行病学筛查以及疾病诊断，还可用于科学研究。
（三）分子生物传感器分子生物传感器的识别元件为固定化生物分子，其完整的分析系统组成包括信号放大器装置、处理换能器装置。
在分体体液的一些小分子有机物、生物大分子等多种物质的检验检测中均可使用分子生物传感器。
上述检验项目都可以为诊疗病情、环境监测提供依据。
生物传感器特点及应用领域生物传感器是一种利用生物体系与生物分子之间相互作用的传感器。
它利用生物分子的识别能力和可选择性与传感器部件相结合，可以用于检测和分析生物体内或周围的化学和生物分子，具有高灵敏度、高选择性、实时监测等特点。
以下是生物传感器的特点及应用领域。
特点：1. 高灵敏度：生物传感器利用生物分子的识别和反应能力进行检测，可以实现非常低浓度的分析，具有高灵敏度。
2. 高选择性：生物传感器能够根据生物分子的特异性识别产生相应的信号，具有高选择性。
3. 实时监测：生物传感器能够在实时监测下进行分析，可以对瞬态信号和事件进行快速响应。
4. 高度集成化：生物传感器可以与传感器部件相结合，实现小型化、微型化和集成化。
应用领域：1. 生命科学研究：生物传感器可以用于生物分子的检测和分析，用于研究生物体内的化学过程、代谢物质等，推动生物科学的发展。
2. 医学诊断：生物传感器可以用于检测和分析生物体内的生物分子，如蛋白质、DNA等，用于疾病的早期诊断、疗效监测等。
3. 环境监测：生物传感器可以用于检测和分析环境中的污染物、有害物质等，用于环境保护和治理。
4. 食品安全：生物传感器可以用于检测和分析食品中的有害物质、添加剂等，用于保障食品安全。
5. 农业领域：生物传感器可以用于检测和分析农作物生长过程中的营养状态、病虫害等，用于农业生产的改进和优化。
6. 安全检测：生物传感器可以用于检测和分析爆炸物、毒剂等危险物质，用于安全检测和防护。
总结起来，生物传感器具有高灵敏度、高选择性、实时监测等特点，适用于生命科学研究、医学诊断、环境监测、食品安全、农业领域、安全检测等多个应用领域。
随着生物科学和纳米科技的发展，生物传感器的应用将会越来越广泛，为科学研究和社会发展做出更加重要的贡献。
文章编号:1007-4287(2005)04-0645-04生物传感器和生物芯片:生物大分子诊断的领域易 萍,李 力(第三军医大学大坪医院野战外科外研所妇产科,重庆400042)基金项目:973项目资助(2001C B510305) 1 生物传感器111 生物传感器的概述 用固定化的生物体成分(酶、抗原、抗体、激素)或生物体本身(细胞、细胞器、组织)作为敏感元件,对待测物质进行分析和检测的传感器称为生物传感器[1]。
传感器主要由敏感器(分子识别元件)、信号转换器(换能器)和电子线路三部分组成[2]。
当待测物质经过具有分子识别功能的敏感器时,传感器所感受的一个变化(如构象、质量等变化)由信号转换器将其转换为与待测物质有关的可测量的信号(如电信号或光信号等)输出,通过电子系统进行处理和显示。
生物传感器的质量取决于敏感器的特异性、转换器的灵敏度以及它们的响应时间、可逆性寿命和电子系统的可靠性。
生物传感器一般可以从下面三个角度[1,2]分类:(1)根据传感器输出信号的产生方式分类,可分为催化型生物传感器和亲和型生物传感器。
催化型生物传感器是基于固定化的大分子(如酶等)识别底物分子后,将它们转化成可被换能器件响应或检测的化学物质。
亲和型生物传感器是基于生物大分子与被测物质的特异性亲和结合作用,如抗原和抗体、互补的DNA 单链等,使换能器件上固定化基质的物理特性(电磁性能、热学性能、光学性能,以及质量和厚度等)发生变化。
(2)根据生物传感器分子识别元件上的敏感元件分类,可分为免疫传感器、DNA 传感器、酶传感器、组织传感器、细胞器传感器、微生物传感器等。
(3)根据生物传感器的信号,转换器可分为电化学生物传感器(电位型、电流型、电导型)、光学式生物传感器(包括荧光、表面等离子体共振SPR )、热学型生物传感器和质量式生物传感器(包括压电晶体和表面声波型)等。
112 生物传感器的发展状况 上世纪60年代由于酶学研究的进步,美国电化学分析专家Clark [3]将酶法与各种电化学传感器结合起来,构成一种新型分析装置“酶电极”(Enz 2yme elecrode )。
酶电极是发展最早一类的生物传感器。
70年代G uilbault [4]用压电晶体检测技术直接测定有机磷,灵敏度达到ppb 级。
进入80年代后,由于微电子技术的发展,先后开发了化学电阻器、场效应管、光纤、热敏电阻等新型传感器,1983年在有关的论文中首次提出了传感器(sens or )的专业名词。
90年代至今,生物技术的迅速发展,生物传感器研究速度、规模和种类更令人瞩目,已发展成为现代生物技术的重要领域之一。
目前生物传感器的检测对象从单糖、氨基酸、核苷酶等发展到更为复杂的多种生物大分子,如多糖、蛋白质、核酸等。
在功能方面也已从检测单一指标发展到多通道的多功能生物传感器芯片、集成生物传感器和微型化生物传感器。
2 生物芯片生物芯片主要指通过平面微细加工技术在固体芯片表面构建的微流体分析单元和系统,使这些分析过程连续化、微型化、集成化和信息化,以实现对细胞、蛋白质、核酸以及其他生物组分的准确、快速、大信息量的检测。
生物芯片的概念来自计算机芯片,迄今已有近百家公司从事生物芯片相关工艺、设备及检测手段和软件的发展。
是传感器分析的组合。
芯片点阵中的每一个单元都是一个传感器的探头,所以传感器技术的精髓都被应用于芯片的发展。
阵列检测可以大大提高检测效率,减少工作量,增加可比性。
所以芯片技术也是传感器技术的发展[5,6]。
211 生物芯片的产生 由于最初的生物芯片主要目标用于DNA 序列的测定、基因表达谱和基因突变的检测和分析,因此当时也称之为基因芯片或DNA 芯片。
目前芯片技术已扩展到抗原、组织、活体细胞等非核苷酸领域,以及芯片实验室领域的迅速发展,所以按现状称为生物芯片更符合发展的趋势。
基因芯片的概念可追溯到S outhern 印迹技术、N orthern 印迹技术以及点杂交技术,这三种技术都是将核酸样品固定在滤膜上。
基因芯片是利用核酸杂交原理检测未知分子,实质是已预先设计的方式固定在载玻片或硅片、塑料片、尼龙膜等上的高密度的寡核苷酸阵列。
俄罗斯科学院恩格尔哈得分子生物研究所和美国阿贡实验室的科学家们最早提出了用杂交法测定核苷酸序列的想法[7]。
英国牛津大学生化系的S outhern 等取得了在载体固定寡核苷酸及杂交法测序的国际专利[8]。
随后Saiki 等用以膜为载体的反向斑点杂交技术(Reverse D ot Blot ,RDB )对PCR 扩增的DNA 进行遗传学分析,其实这是低密度膜芯片原始模型[9]。
1991年A ffymetrix 公司F odor 领导的小组利用光刻技术与光化学合成技术相结合制造了世界上第一块寡核苷酸基因芯片,并在Science 杂志上首次提出基因芯片的概念[10]。
1995年,第一块以玻璃为载体的基因微矩阵芯片在美国S tan ford 大学诞生,标志着基因芯片技术步入了广泛研究和应用的时期[11]。
目前DNA 芯片作为研究最多的一种生物芯片,目前在载体、点样、探针标记、检测技术等许多方面取得了迅速进展。
212 生物芯片的国内外现状 A ffymetrix公司是生物芯片技术的开拓者,早在七八年代即开始研究光引导的原位合成技术,这一技术导致了第一代生物芯片的诞生[10]。
高密度基因芯片是最重要的第一代生物芯片,现已扩展到抗原、组织、活体细胞检测等领域。
生物芯片发展的最终目标是将从样品制备、化学反应到检测的整个分析过程集成化以获得所谓的微型全分析系统(micro total analytical system)或称芯片实验室(laboratory2on2a2chip),即第二代生物芯片,它具有体积小、重量轻、便于携带、无污染、分析自动化、分析速度快、所需样品和试剂微量化等诸多优点,其潜在应用范围包括高效筛选、环境监测、临床监测、空间生物学、现场分析、生物战争试剂检测、高效DNA测序等等。
虽然目前仍处于研究阶段,但由于它显著的优点和潜在的商业价值,代表了生物芯片的发展方向,从刚出现至今发展迅速。
目前已见产业化曙光。
当前生物芯片还没有正式进入临床诊断,世界各国科学家正在进行科研竞赛,以便在这个新的“淘金”领域抢得先机。
在过去的十年里,美国在这一领域共投入了近20亿美元。
美国政府自1998年正式启动生物芯片计划以来,已有美国国立卫生研究院、能源部、国防部、司法部等政府机构,斯坦福大学、MIT、阿尔贡实验室等著名科研机构,以及A ffy2 metrix、Hyseq、Nanogen、Incyte、Caliper等著名生物芯片技术公司参与该项计划。
英国剑桥大学、欧亚大公司如G eneric C o. UK、Sequenonom等也正在从事该领域的研究。
世界大型制药公司尤其对基因芯片技术用于基因多态性、药物开发和筛选等领域进行了大量的研究,大多数都建立了自己的芯片设备及技术。
A ffymetrix公司1998年生产可用于检测HI V抗药性突变以及P53基因突变的高密度生物芯片,目前已有用于研究药物新陈代谢时基因变化的P450芯片及可检测1000种人类S NPs的基因芯片,都已投入商业使用。
目前第一代生物芯片已进入实用化、产业化阶段,应用最多的仍然为基因表达谱分析。
我国正式进入生物芯片研究领域是在1998年,现有20多家科研机构及公司从事生物芯片的开发。
联合基因公司成功制作了国内第一块基因表达谱芯片和HC V诊断芯片,已申请3200多项基因药物发明专利,包括肿瘤相关基因、肥胖基因受体相关基因、高血压血管紧张素相关基因和老年痴呆症相关基因等极具临床应用和药物开发前景的重要功能基因;中国科学院对光生物传感芯片做了大量的研究;清华大学生物芯片中心,对第二代生物芯片进行大量的研究,已成功研制出可用于样品处理和检测的主动式电磁生物芯片,已在美国获得专利,目前正在从事生物芯片的配套设备和软件的开发,缩微芯片实验室,用于研究分析的各门类微陈列芯片,用于药物筛选和开发的生物芯片平台技术和可植入人体的生物芯片等领域研究,从而标志着国内在芯片研制上已达到世界先进水平,并走向产业化进程。
213 第一代生物芯片 根据芯片检测的对象可分为:DNA 芯片、蛋白芯片、多糖芯片、细胞芯片、组织芯片。
因此这些芯片能够从各个层次揭示生命的奥秘。
MacBeath和Schr2eiber[12]首先报道了利用蛋白质微型方阵研究蛋白质相互作用及与小分子作用的研究。
蛋白芯片是将许多序列不同的多肽或蛋白分子按照预定的位置固定于芯片载体上,通过蛋白或多肽与其特异结合分子的相互作用而实现对样品蛋白或其它配体作用特异性的研究,包括抗原表位分析、蛋白定量检查等。
目前蛋白质芯片要解决的问题有:11保持蛋白的活性;21保证蛋白质正确定位;31与现在的mRNA微型方阵研究工具要相兼容[13]。
下面只对DNA芯片作一简单的介绍。
最早实现商品化的生物芯片是以基因序列为分析对象的基因芯片。
往往称之为DNA微阵列。
使用时,待测样品用荧光等方法标记成探针,将探针与芯片上的基因进行杂交、洗涤,杂交后的芯片进行扫描、测定,然后通过计算机处理来检测待测样品的遗传信息,揭示基因与疾病发生、发展的内在关系。
DNA芯片技术主要分为三个部分:样品制备、生化反应和结果检测。
尽管基因芯片技术已经取得了长足的发展,得到世人的瞩目,但仍然存在着许多难以解决的问题,例如技术成本昂贵、复杂、检测灵敏度较低、重复性差、分析范围较狭窄等问题。
这些问题主要表现在样品的制备、探针合成与固定、分子的标记、数据的读取与分析等几个方面[14]。
214 第二代生物芯片 芯片实验室是系统集成、微刻技术与纳米生物传感器技术共同发展的结晶,利用微刻技术,诸如微电极、凝胶元件、微陷阱等构成的元件型微阵列和由微通道或反应池等构成的通道型微阵列以及传感器技术已经被整合到芯片实验室中。
将生命科学研究中的许多不连续的分析过程,如样品制备,生化反应和结果检测等,移植到芯片中并使其连续化和微型化。
一些新型生物芯片如生物电子芯片、凝胶元件微阵列芯片、药物控释芯片、毛细管电泳或色谱芯片、PCR芯片及生物传感芯片等应运而生。
下面举出几个比较重要的例子。
21411 生物电子芯片 其基本原理是在硅片上构建电极微阵列,利用电场增强分子之间的杂交。
1998年,我国学者程京领导的科研小组用电子式芯片,首次对病人全血进行分析,在电场作用下,血中的大肠杆菌富集到电极上,以高电压脉冲裂解菌体,用蛋白酶K消化后得到纯化的DNA,再转移到另外一张芯片上杂交,证实了大肠杆菌DNA的存在[15]。
1999年,G illes等[16]在硅片上蚀刻出电子回路和电极构成芯片,经扩增的病人DNA样品在上芯片转运、浓缩并吸附到特定的电极上形成阵列,并于荧光标记的探针杂交,快速精确的区分了人甘露糖结合蛋白基因中复杂的四等位单核苷酸多态性。
