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微纳米生物医学传感器
贾芸芳
副教授，南开大学信息技术科学学院微电子科学系硕士生导师。
关键词：生物传感器 微纳米生物医学传感器
疾病的诊断是医生实施医疗措施的基础，因此检验医学在现代医学中占据着越来越重要的地位。而各种类型的生物医学传感器又是现代医学检验设备的核心，其中，随着微纳米技术的产生而逐步发展起来的新型生物医学传感器——微纳米生物医学传感器，已成为目前各国的研究热点。
微纳米技术主要是指在微米、纳米尺度下进行的工艺过程，该技术的应用范围很广，在诸如纳米颗粒的制备、材料的表面改性以及集成电路的制造等过程中微纳米技术都起着非常重要的作用。现在，这一技术已渗透到检验医学领域，在微流体检测系统、微型敏感器件以及新型敏感膜的制备等方面得到了广泛应用。
总的来讲，微纳米技术可以分为两大类：纳米材料的制备；微/纳米结构的加工。前者主要用于生物医学传感器中敏感膜的制备；后者主要用于微流体检测系统、微型敏感器件的制造。本文就根据这两个线索，对目前微纳米生物医学传感器的研究现状进行简单介绍。
一 分子印迹生物传感器
分子印迹生物传感器，是一类使用分子印迹技术(Molecular Imprinting Technology，MIT)制备敏感膜的生物传感器。MIT是一种利用对特定化合物具有预订选择性来制备合成识别位点的技术，该技术在亲和分离领域获得了广泛的应用，实现了规模化和商品化，具有处理量大、易放大的特点，而且对目标分子吸附的选择性和容量均很高；在生物医学传感器领域， MIT的这些优点被用于制备高特异性、低成本的敏感膜，逐步形成了分子印迹生物传感器，又称仿生传感器或模拟酶传感器。
Piletsky在96孔板上层积了检测蛋白质的分子印迹聚合物(Molecular Imprinting Polymer，MIP)，配体为3-氨苯硼酸，分别以微过氧化物酶、辣根过氧化物酶、乳过氧化物酶和血红蛋白为模板分子，用硫酸铵为配体进行氧化，制备了上述各物质的MIP薄膜；然后通过芳环电子配对作用，分别将这些MIP薄膜牢固的嫁接在96孔板的聚乙烯表面，用于识别大小不同的蛋白质，检测结果如图1所示，其中空心图标表示未嫁接MIP薄膜的空白板，实心图标为嫁接MIP薄膜的MIP板，通过空白板与MIP板检测结果的对照可以看出，MIP薄膜可以识别被测蛋白质。
Chen等采用MIT制备了一种性能良好的聚合物，通过测量MIP与葡萄糖结合后释放的质子数，实现测量葡萄糖浓度的目的，该系统用于检测猪血浆中葡萄糖，检测范围为临床测量范围(0~25 mmol/L)，且具有足够的选择性。Tan等以压电型传感器作为换能器，利用MIT制备了敏感膜，用于人血清和尿素中乙酰对氨苯乙醚的测量，MIP的制备采用乙酰对氨苯乙醚为模板分子，甲基丙烯酸为配体，传感器的线性范围为5.0×10-8~5.0×10-4 mol/L，检测下限为5.0×10-9 mol/L。MIP敏感膜稳定，可以多次使用。
二 生物医学微/纳机电系统
生物医学微/纳机电系统，是一种利用微纳米加工技术在硅或者二氧化硅等材料的衬底上，制作出各种微米、纳米尺度的二维/三维空间，并利用该结构完成各种生物医学检测的新型器件。
生物细胞的典型尺寸为1~10 μm；生物大分子的厚度为纳米量级，长度为微米量级，微/纳机电系统的关键部分尺寸也在这个范围内，适合于操作生物细胞和生物大分子。与传统检测系统相比，生物医学微/纳机电系统具有体积微小、样品用量少、检验效率高、成本低等优点，因此是微纳米生物医学传感器的研究热点。
MOEMS-ICE芯片(Micro Optical Electronic Machine System-Integrated Capillary Electrophoresis)将PCR(Polymerase Chain Reaction)扩增和CE分离完整地集成在同一芯片上，利用紫外光诱导荧光方法，使用CCD(Charge-Coupled Device)检测CE分离信号。图2为芯片照片，其中S1为样品池；S2为荧光剂池；B1~B4为缓冲液池；W1~W5为废液池；I1~I4为进样通道；R为PCR扩增反应池；F为荧光标定池，面积为2 mm×2 mm；P1~P4为分离泳道，其中P2宽50 μm，P3宽100 μm，P1和P4宽150 μm，P2、P3、P4泳道长10 mm，芯片面积为15 mm×15 mm。分离结果如图3所示，其中第一个峰值出现在45 s左右，为扩增反应物；第二个峰值出现在68 s左右，为PCR扩增产物。
微流体通道细胞计数器，利用微纳米加工技术制造出微米量级的微流体通道实现对不同细胞的分离和计数。其原理为，不同细胞具有不同的阻抗，无需荧光或电磁等任何标记，通过检测微通道指定处细胞的阻抗即可实现对不同细胞的分离和计数。图4为该检测系统对血红细胞的分离结果，其中4、5、6 μm的珠子作为血红细胞的对比物。
三 微电极阵列
可植入的多电极阵列一直是脑神经研究的关键工具，早期的可植入电极为金属丝，直径约80 μm，很难制作为微米量级的阵列结构；随着光刻、刻蚀技术的发展，开始出现了基于单晶硅片的可植入微电极阵列，这种基于MEMS技术微电极阵列与传统微丝电极相比，具有操作简单、定位精确、体积微小、便于与检测电路集成的优点，因此得到广泛应用；但是由于硅器件硬度较大，而要做到实时、在体检测就会对被测生物造成伤害，为此Karen C. Cheung等又发展出了基于柔软的有机物的微电极阵列，在硅基衬底上完成电极图形的制备，然后利用阳极剥离技术将有机物从硅衬底上剥离，形成了以聚酰亚胺薄膜为绝缘介质，以Ti/Pt为金属电极的16通道电极阵列，电极阵列的放大照片如图5所示。该器件被用于术后实验鼠的清醒状态脑电波检测，电极保持在鼠体内60天，部分记录结果如图6所示，电极植入鼠体内60天后，电极植入的位置细胞活性照片如图7所示，在图中未发现对生物体地损伤，这证明了这种柔软的可植入电极阵列可以用于长期检测。
四 眼内压力传感器
传统的眼内压力(Intr-aocular Pressure，IOP)测量是一种近似于静止的、只能在眼科医生办公室中进行的眼科检查，然而对于临床医生来讲获得日常眼内压力的变化详细信息却更有意义，因此研制出能够适合于长时间执行监测功能的IOP传感器对于眼科病人的及时诊断具有非常重要的作用。Matteo Leonardi等基于MEMS技术以聚酰亚胺为基本材料，开发了一种柔软的可以无创、长时间佩戴的IOP传感器实验装置，如图8所示。该传感器被用于测量摘除的猪的眼睛，测量装置如图9所示。
五 组织成像
组织的电阻依赖于其细胞的形态、渗透性以及组织结构，因此健康组织、受损组织以及癌变组织将具有不同的电阻，基于这一原理的电阻抗断层摄影术(Electric Impedance Tomography，EIT)可无创地分析某一组织样本。基于这一原理Renaud课题组制备出了如图10所示的电极阵列以及检测装置，如图11所示。以凝胶层作为试验对象，Renaud获得了不同凝胶层的构成情况下，输出阻抗与电极间距离的检测数据，如图12所示，通过数据重构获得了被测凝胶层的断层图像如图13所示。
六 总结与展望
微纳米生物医学传感器具有信息采集、转换、传输等功能，同时具有操作简便、样品消耗量少、成本低廉、多功能、集成化等优点，因此受到了生物、化学以及微电子等多个领域的关注，已经成为全球科学界瞩目的热点，随着微纳米技术的不断成熟，相信“微缩芯片实验室”、“片上芯片”很快就会由实验室阶段进入医院的化验室，为疾病的快速诊断提供正确、客观的依据。
（全文完）
来源：《世界医疗器械》
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