生物傳感器產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展前景
1.1 生物傳感器概述
生物傳感器是一個(gè)非常活躍的研究和工程技術(shù)領(lǐng)域，它與生物信息學(xué)、生物芯片、生物控制論、仿生學(xué)、生物計(jì)算機(jī)等學(xué)科一起，處在生命科學(xué)和信息科學(xué)的交叉區(qū)域。它們的共同特征是：探索和揭示出生命系統(tǒng)中信息的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸、加工、轉(zhuǎn)換和控制等基本規(guī)律,探討應(yīng)用于人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的基本方法。生物傳感器技術(shù)的研究重點(diǎn)是：廣泛地應(yīng)用各種生物活性材料與傳感器結(jié)合，研究和開發(fā)具有識(shí)別功能的換能器，并成為制造新型的分析儀器和分析方法的原創(chuàng)技術(shù)，研究和開發(fā)它們的應(yīng)用。生物傳感器中應(yīng)用的生物活性材料對(duì)象范圍包括生物大分子、細(xì)胞、細(xì)胞器、組織、器官等，以及人工合成的分子印跡聚合物(molecularly imprinied polymer，MIP)。由于研究DNA分子或蛋白質(zhì)分子的識(shí)別技術(shù)已形成生物芯片（DNA芯片、蛋白質(zhì)芯片）獨(dú)立學(xué)科領(lǐng)域，本文對(duì)這些領(lǐng)域?qū)⒉贿M(jìn)行討論。
生物傳感器研究起源于20世紀(jì)的60年代，1967年Updike和Hicks把葡萄糖氧化酶(GOD)固定化膜和氧電極組裝在一起，首先制成了第一種生物傳感器，即葡萄糖酶電極。到80年代生物傳感器研究領(lǐng)域已基本形成。其標(biāo)志性事件是：1985年“生物傳感器”國(guó)際刊物在英國(guó)創(chuàng)刊；1987年生物傳感器經(jīng)典著作在牛津出版社出版；1990年首屆世界生物傳感器學(xué)術(shù)大會(huì)在新加坡召開，并且確定以后每隔二年召開一次。
此后包括酶?jìng)鞲衅鞯纳飩鞲衅餮芯恐饾u興旺起來(lái)，從用一種或多種酶作為分子識(shí)別元件的傳感器，逐漸發(fā)展設(shè)計(jì)出用其他的生物分子作識(shí)別元件的傳感器，例如酶—底物、酶—輔酶、抗原—抗體、激素—受體、DNA雙螺旋拆分的分子等，把它們的一方固定化后都可能作為分子識(shí)別元件來(lái)選擇地測(cè)量另一方。除了生物大分子以外，還可以用細(xì)胞器、細(xì)胞、組織、微生物等具有對(duì)環(huán)境中某些成分識(shí)別功能的元件來(lái)作識(shí)別元件。甚至可以用人工合成的受體分子與傳感器結(jié)合來(lái)測(cè)定微生物、細(xì)胞和相關(guān)的生物分子。
與生物活性材料組合的傳感器可以是多種類型的物理或化學(xué)傳感器，如電化學(xué)（電位測(cè)定、電導(dǎo)測(cè)定、阻抗測(cè)定）、光學(xué)（光致發(fā)光、共振表面等離子體）、機(jī)械（杠桿、壓電反應(yīng)）、熱（熱敏電阻）或者電（離子或者酶場(chǎng)效應(yīng)晶體管）等等。所有這些具有生物識(shí)別功能的組合體通稱為生物傳感器。
按期召開的世界生物傳感器學(xué)術(shù)大會(huì)記錄了生物傳感器技術(shù)發(fā)展的歷程，總匯了這一領(lǐng)域的發(fā)展新動(dòng)向。例如1992年在德國(guó)慕尼黑“國(guó)際生物傳感器流動(dòng)注射分析與生物工藝控制”學(xué)術(shù)會(huì)議上對(duì)生物工藝控制和在線系統(tǒng)進(jìn)行研討，至今仍作為研究者攻關(guān)的課題。2004年在西班牙格拉納達(dá)會(huì)展中心召開的第八屆世界生物傳感器大會(huì)可以說(shuō)是世界生物分析系統(tǒng)領(lǐng)域的一次大的盛會(huì)［1］，參會(huì)代表人數(shù)和發(fā)表論文數(shù)量都創(chuàng)造了歷史新高。共有700余名來(lái)自世界各地的學(xué)者參加了本屆大會(huì)，第八屆世界生物傳感器大會(huì)涉及領(lǐng)域內(nèi)容空前廣泛，對(duì)9個(gè)專題進(jìn)行了分組討論。包括核酸傳感器和DNA芯片、免疫傳感器、酶?jìng)鞲衅?、組織和全細(xì)胞傳感器、用于生物傳感器的天然與合成受體、新的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)技術(shù)、系統(tǒng)整合/蛋白質(zhì)組學(xué)/單細(xì)胞分析、生物電化學(xué)/生物燃料/微分析系統(tǒng)、商業(yè)發(fā)展和市場(chǎng)。其中，單分子/細(xì)胞分析和生物印跡生物傳感器由于它們良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)及在生命科學(xué)研究中的重要位置成為與會(huì)學(xué)者討論的熱點(diǎn)問(wèn)題。
1.2 中國(guó)生物傳感器技術(shù)發(fā)展的過(guò)程
中國(guó)生物傳感器研究始于20世紀(jì)八十年代初，從事生物傳感器研究的科研機(jī)構(gòu)有中國(guó)科學(xué)院微生物所、中國(guó)科學(xué)院上海生化所、上海冶金所、中國(guó)科學(xué)院武漢病毒所、華東理工大學(xué)和山東省科學(xué)院生物研究所等單位，直至今日，這些單位仍在生物傳感器領(lǐng)域進(jìn)行著創(chuàng)新研究和開發(fā)。最早展開生物傳感器的研討活動(dòng)是1986年由中國(guó)微生物協(xié)會(huì)酶工程專業(yè)技術(shù)委員會(huì)組織的第一屆工業(yè)生化及酶工程全國(guó)學(xué)術(shù)會(huì)議。中國(guó)酶工程專業(yè)技術(shù)委員對(duì)這一領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)交流起到很好的作用，其活動(dòng)包括定期召開的全國(guó)性酶工程學(xué)術(shù)會(huì)議和每隔二年一次的中日酶工程學(xué)術(shù)會(huì)議，其中生物傳感器都是重要的研討議題。
20世紀(jì)九十年代至今我國(guó)生物傳感器研究隊(duì)伍逐漸擴(kuò)大，其標(biāo)志之一是近10年來(lái)在中國(guó)國(guó)內(nèi)期刊上發(fā)表的以生物傳感器為關(guān)鍵詞的論文總數(shù)達(dá)到650篇，其中2003年的論文數(shù)量比1994年增加了約一倍。近十年的該領(lǐng)域?qū)＜业难芯勘尘耙矎纳飳W(xué)擴(kuò)大到化學(xué)和電子學(xué)。1999年這一領(lǐng)域主要研究單位和專家集體編撰的專著“中國(guó)生物傳感器進(jìn)展”一書在美國(guó)出版[2]，表明了生物傳感器領(lǐng)域?qū)W科相互交叉的趨勢(shì)。表3-31列出了我國(guó)生物傳感器的有代表性的主要研究機(jī)構(gòu)。
表3-31 我國(guó)生物傳感器領(lǐng)域的主要研究機(jī)構(gòu)單位和研究方向
中國(guó)科學(xué)院微生物所
臨床診斷分析用生物傳感器
中國(guó)科學(xué)院武漢病毒所
生物傳感器和生物芯片、分析用酶的分子工程，BOD微生物傳感器，手掌型血糖分析儀研制
山東省科學(xué)院生物研究所山東省生物傳感器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任
固定化酶生物傳感分析系統(tǒng)及其應(yīng)用
生物傳感在線分析系統(tǒng)、系列化生物傳感分析儀器的制造技術(shù)、系列化固定化酶膜及配套試劑盒
清華大學(xué)生物技術(shù)系生物膜重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
用于分子識(shí)別分析的SPR生物傳感器的研制和應(yīng)用
上海工業(yè)微生物研究所
手掌型血糖分析儀研制和產(chǎn)業(yè)化
中國(guó)科學(xué)院上海生化所
生物傳感器技術(shù)的最新發(fā)展
中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所傳感技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
氫離子敏場(chǎng)效應(yīng)管，仿生生物傳感器，小型臺(tái)式SPR測(cè)試儀,微全分析系統(tǒng)
上海冶金研究所
生物傳感器技術(shù)的最新發(fā)展
中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)所
主編的中國(guó)生物傳感器進(jìn)展一書在美國(guó)出版，BOD微生物傳感器
基于化學(xué)修飾電極的電流型酶電極
華東師范大化學(xué)系
基于化學(xué)修飾電極的電化學(xué)生物傳感器
復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系
電化學(xué)的酶、組織、微生物傳感器
湖南大學(xué)化工系
組織、免疫傳感器
湖南師范大學(xué)化學(xué)研究所
壓電化學(xué)與生物傳感，提出了完整的壓電晶體液相振蕩性能定量關(guān)系式
陜西師范大學(xué)化學(xué)系
光生物傳感器
浙江大學(xué)教育部生物傳感器國(guó)家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室
嗅覺和味覺生化傳感器
上海師范大學(xué)化學(xué)系
微生物傳感器的發(fā)展
河北科技大學(xué)
BOD微生物傳感器
南開大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教育部生物活性材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
體內(nèi)藥物傳感器的開發(fā)研究
1.3 我國(guó)生物傳感器產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)狀
當(dāng)前我國(guó)生物傳感器產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀和市場(chǎng)特點(diǎn)是：我國(guó)自主研發(fā)生物傳感器產(chǎn)品及跨國(guó)企業(yè)集團(tuán)在中國(guó)推出的產(chǎn)品共存并相互競(jìng)爭(zhēng)。一些掌握生物傳感器技術(shù)的跨國(guó)大企業(yè)集團(tuán)，看好被稱為“世界工廠”的中國(guó)市場(chǎng)，采取技術(shù)輸出的途徑，吸收我國(guó)的技術(shù)力量和銷售途徑，在我國(guó)市場(chǎng)上進(jìn)行生物傳感器的開發(fā)、產(chǎn)品制造和銷售。一部份海外留學(xué)歸國(guó)的生物傳感器專門人才也將自己的成果在中國(guó)轉(zhuǎn)化并設(shè)廠辦企業(yè)。家用保健類生物傳感器技術(shù)已率先較好地實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化突破，取得了顯著經(jīng)濟(jì)效益。固定化酶生物傳感器作為一類多品種的精密科學(xué)儀器，支撐了一部份生物技術(shù)過(guò)程檢測(cè)，對(duì)傳統(tǒng)生物產(chǎn)業(yè)技術(shù)改造具有重要意義。我國(guó)生物傳感器產(chǎn)業(yè)表現(xiàn)的空前繁榮景象代表了當(dāng)前世界生物傳感器產(chǎn)業(yè)的主要潮流。中國(guó)已產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用的主要生物傳感器種類見表3-32。
表3-32 中國(guó)已產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用的主要生物傳感器種類
生物傳感器種類
研究、生產(chǎn)或研制單位
開始完成時(shí)間
年產(chǎn)值或市場(chǎng)規(guī)模分析
手掌型血糖分析器
上海工業(yè)微生物研究所(新立)，
中國(guó)科學(xué)院武漢病毒所，長(zhǎng)沙三諾公司，北京世安公司
1996年至今
估測(cè)，2003年銷售量為1億元人民幣(含進(jìn)口產(chǎn)品)
胰島素泵
北京鼎濤醫(yī)療器械公司
珠海福尼亞醫(yī)療設(shè)備有限公司
2002年
2003年銷售量已達(dá)到1億元人民幣。(含國(guó)外廠商進(jìn)口產(chǎn)品)
固定化酶生物傳感分析儀和系統(tǒng)
山東省科學(xué)院生物研究所，山東省生物傳感器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
1989年至今
共供應(yīng)各類固定化酶分析儀423臺(tái)套，年完成分析200萬(wàn)次，產(chǎn)值120萬(wàn)元人民幣
BOD微生物傳感器
中國(guó)科學(xué)院武漢病毒所、中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)所、清華大學(xué)環(huán)境系、河北科技大學(xué)、江蘇分析儀器廠等
1990年至今
小規(guī)模應(yīng)用
SPR生物傳感器
清華大學(xué)生物技術(shù)學(xué)院，中國(guó)科學(xué)院電子研究所
1998年至今
實(shí)驗(yàn)室規(guī)模應(yīng)用與推廣
1.3.1 家用醫(yī)療保健類生物傳感器
生命科學(xué)等新興學(xué)科的發(fā)展正越來(lái)越顯著地提高著人們的生活質(zhì)量和工作效率，給人類生活和生產(chǎn)帶來(lái)深刻的革命性變化。在生物傳感器領(lǐng)域中產(chǎn)生較大經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)業(yè)的典型代表產(chǎn)品是手掌型血糖分析儀以及相關(guān)的胰島素泵，它們?cè)诟纳铺悄虿∪说慕】捣矫嫫鸬搅朔浅Ｖ匾淖饔谩?/P>
20世紀(jì)七十年代，當(dāng)葡萄糖傳感器開始用于血糖的分析后，研究者目光已集中到糖尿病相關(guān)的血糖檢測(cè)技術(shù)上，并和胰島素給藥方式相聯(lián)系，提出研制閉環(huán)式人工胰島的設(shè)想。30多年來(lái)，研制閉環(huán)式人工胰島努力從未間斷。雖然至今還不能成功地推出人工胰島產(chǎn)品，卻發(fā)展出二個(gè)相關(guān)獨(dú)立的大產(chǎn)業(yè)：手掌型血糖分析器和胰島素泵產(chǎn)業(yè)。二者在全世界都已發(fā)展成幾十億美元的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。
手掌型血糖分析器
糖尿病人可以自測(cè)的手掌型血糖分析器已經(jīng)達(dá)到大規(guī)模應(yīng)用的程度。在上世紀(jì)７０年代血糖自我監(jiān)測(cè)儀器就已問(wèn)市，使血糖的檢驗(yàn)由醫(yī)院延伸到家中。８０年新一代血糖及操作技術(shù)簡(jiǎn)單化，使得自我監(jiān)測(cè)血糖的準(zhǔn)確度提高了。研究者最初沿著干化學(xué)試劑條測(cè)定尿糖濃度的思路，采用酶法葡萄糖分析技術(shù)、并結(jié)合絲網(wǎng)印刷和微電子技術(shù)制作的電極，以及智能化儀器的讀出裝置，三者完美地組合成微型化的血糖分析儀。它們大多數(shù)是價(jià)位在500-1800元之間的簡(jiǎn)易型儀器，適于家用和病人自己使用。據(jù)報(bào)道，韓國(guó)LG公司推出的可測(cè)定血糖的手機(jī)，也已在中國(guó)市場(chǎng)上出現(xiàn)。表3-33列出了我國(guó)市場(chǎng)上現(xiàn)有的血糖儀系列產(chǎn)品，其中包括國(guó)外著名的健康事業(yè)公司和我國(guó)自主研發(fā)產(chǎn)品為主的企業(yè)。
表3-33 我國(guó)市場(chǎng)的血糖儀系列產(chǎn)品
產(chǎn)品名
生產(chǎn)或經(jīng)銷商
羅氏血糖儀
羅氏公司是以研究為導(dǎo)向的健康事業(yè)公司之一， 2003年，羅氏成功購(gòu)并世界第二大胰島素泵生產(chǎn)商，瑞士Disetronic公司，使在糖尿病監(jiān)控領(lǐng)域擁有世界領(lǐng)先技術(shù)的羅氏診斷部成為糖尿病綜合控制系統(tǒng)設(shè)備的最主要供應(yīng)商。
美國(guó)雅培血糖儀
1996年，雅培公司收購(gòu)了MediSense后進(jìn)入了血糖儀監(jiān)護(hù)市場(chǎng)，而MediSensE公司是第一家將采用傳感器技術(shù)進(jìn)行血糖檢測(cè)并有產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)的公司。據(jù)雅培稱，目前全球每天有250萬(wàn)人使用MediSense的血糖儀，同時(shí)雅培還推出了血酮測(cè)定儀
日本京都血糖儀
由北京麥邦生物工程技術(shù)公司經(jīng)銷的日本京都血糖儀和美國(guó)PALCO公司MB胰島素注射筆。公司成立于1996年，是專業(yè)經(jīng)營(yíng)糖尿病產(chǎn)品和致力于糖尿病教育的股份合作制公司。公司經(jīng)過(guò)近7年的奮斗，現(xiàn)已發(fā)展成為擁有重慶、南京、成都等20多個(gè)辦事處和遍及全國(guó)的經(jīng)銷代理機(jī)構(gòu)的完整銷售網(wǎng)絡(luò)，年銷售額過(guò)千萬(wàn)的糖尿病產(chǎn)品專營(yíng)公司。
理康血糖儀
理康血糖儀由Johnson & Johnson company生產(chǎn)，已有20年歷史。
怡成血糖儀
由北京世安醫(yī)療器械有限責(zé)任公司生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)的怡成血糖儀是我國(guó)最早出現(xiàn)的國(guó)產(chǎn)血糖儀。產(chǎn)品榮獲國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局頒發(fā)的新產(chǎn)品證書。
三諾血糖儀
長(zhǎng)沙三諾生物傳感技術(shù)有限公司獲得2003年科技型中小企業(yè)創(chuàng)新基金，位于湖南長(zhǎng)沙留學(xué)人員創(chuàng)業(yè)園
德國(guó)賽斯馬克血糖儀
北京康聯(lián)醫(yī)用設(shè)備有限公司德國(guó)賽斯馬克血糖儀,血糖試紙。
新立血糖儀
上海新立工業(yè)微生物科技有限公司，由海外留學(xué)歸國(guó)人員組織生產(chǎn)“家用手持式血糖測(cè)試儀及測(cè)試條”，屬上海市高新技術(shù)成果轉(zhuǎn)化認(rèn)定項(xiàng)目。2001年4月試生產(chǎn)并投放市場(chǎng)銷售，2002年已實(shí)現(xiàn)銷售額數(shù)百萬(wàn)元人民幣。
血糖儀
中科院武漢病毒所的血糖儀
胰島素泵
胰島素泵又稱為持續(xù)胰島素輸注泵，是為模擬自身胰島素的生理性分泌，使血糖獲得理想的控制而設(shè)計(jì)的智能式輸注裝置［3］。現(xiàn)有皮下型和植入型。目前這類廣泛應(yīng)用的胰島素泵還是開環(huán)式的，從嚴(yán)格的意義來(lái)說(shuō)，它只是一種智能式的注射裝置，不是一種生物傳感器，但是它離不開血糖的分析，況且，30多年來(lái)研制與血糖分析器偶聯(lián)的閉環(huán)式人工胰島的努力一直沒有停止，這種目標(biāo)終究會(huì)實(shí)現(xiàn)。
1993年6月國(guó)際衛(wèi)生協(xié)會(huì)發(fā)布了為期10年的糖尿病控制與并發(fā)癥試驗(yàn)結(jié)果，該結(jié)果證明，在糖尿病的治療中，使用胰島素泵的治療效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的胰島素分次注射，其血糖更平穩(wěn)，并發(fā)癥減少60% ~ 76%。此后，使用胰島素泵成為醫(yī)學(xué)界公認(rèn)的糖尿病患者注射胰島素的首選方式。雖然市場(chǎng)銷售價(jià)格不菲，但是市場(chǎng)效益巨大，甚至超過(guò)了手掌型血糖分析儀。一些大醫(yī)藥集團(tuán)都把血糖儀和胰島素泵捆綁在一起經(jīng)營(yíng)的。
根據(jù)有關(guān)網(wǎng)站調(diào)研數(shù)據(jù)表明，2003年我國(guó)新增使用胰島素泵的患者達(dá)到1500人。加上2002年1000人，兩年來(lái)的總和，是2002年以前的銷量總和的兩倍。據(jù)此估測(cè)，在中國(guó)胰島素泵的銷售量已達(dá)到1億元人民幣。
提高糖尿病人的生活品質(zhì)，控制血糖，應(yīng)用胰島素泵的概念已經(jīng)被眾多患者接受，隨著產(chǎn)品的不斷豐富，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)是不可避免的。2004年，福尼亞、圣唐的新型號(hào)，MESMED普及型紛紛準(zhǔn)備上市，加上市場(chǎng)已經(jīng)投放的5個(gè)品牌6個(gè)型號(hào)，糖尿病患者今年購(gòu)買胰島素泵的選擇余地將擴(kuò)大到7~9個(gè)型號(hào)。2004年價(jià)格方面，競(jìng)爭(zhēng)中的普及型的價(jià)格分別為16800~19800元，都沒有超過(guò)2萬(wàn)元，而幾年前其市場(chǎng)價(jià)格每臺(tái)則高達(dá)7萬(wàn)元，因此，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)最終的受益者是廣大消費(fèi)者。
高端保健類血糖分析儀
高端不破皮血糖分析儀包括手表式血糖分析儀和用紅外傳感器原理的食指按壓式血糖分析儀。
美國(guó)Cygnus公司正在開發(fā)的手表式血糖監(jiān)測(cè)儀是一種連續(xù)的自動(dòng)血糖監(jiān)測(cè)裝置。在對(duì)其校準(zhǔn)之后，該裝置無(wú)疼痛地進(jìn)行監(jiān)測(cè)并顯示大量的血糖數(shù)據(jù)，可幫助糖尿病患者更好地控制其忽高忽低的血糖值。該裝置像一塊戴在腕部的手表，使用低電流無(wú)痛地將血糖抽取到自耗式經(jīng)皮透滲貼片(自動(dòng)傳感器)。該自動(dòng)傳感器內(nèi)置一個(gè)生物傳感器，安放在手表式血糖監(jiān)測(cè)儀的背面，緊貼在皮膚上。收集到的血糖在自動(dòng)傳感器內(nèi)引發(fā)電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電子。生物傳感器測(cè)量電子數(shù)目，而ASLC芯片使電子發(fā)射值與血液中的葡萄糖濃度值相等。手表式血糖監(jiān)測(cè)儀可在頻繁地間隔內(nèi)測(cè)量血糖值。這種手表式血糖監(jiān)測(cè)儀市場(chǎng)零售價(jià)為21800元。它能每隔10分鐘自動(dòng)采集一次血糖數(shù)據(jù),即時(shí)顯示血糖狀態(tài)。尚未有是否獲得ＦＤＡ核準(zhǔn)的信息［4］。
全球最大的綜合跨國(guó)集團(tuán)之一日立公司最近也推出了不破皮采血測(cè)定血糖的儀器。它的原理是利用長(zhǎng)波１０５０－２４５０ｎｍ的ＮＩＲ照射穿透身體時(shí)，葡萄糖會(huì)吸收一部分光波，光譜分析儀再根據(jù)光波被吸收的程度計(jì)算出葡萄糖值。它的缺點(diǎn)為需要時(shí)常校正，且其測(cè)定易受體內(nèi)因素如水分，脂肪、皮膚、肌肉、骨骼、服用之藥物、血色素濃度、體溫及營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)等影響，所以在人體研究的成果還有待驗(yàn)證，目前尚未有是否獲得ＦＤＡ核準(zhǔn)的信息。
高精度血糖分析儀
高精度血糖分析儀是采用固定化酶的生物傳感分析儀。其分析精度可以達(dá)到0.5-2%，比家用保健類生物傳感器幾乎高一個(gè)數(shù)量級(jí)，比目前醫(yī)用生化分析儀的精度也高2-3個(gè)百分點(diǎn)。這在血糖分析領(lǐng)域是非常重要的，它們可以用作血糖分析的標(biāo)準(zhǔn)方法。尤其是在市場(chǎng)銷售的手掌型血糖分析儀出現(xiàn)質(zhì)量事故時(shí)，需要另一種有說(shuō)服力分析方法證明其分析結(jié)果時(shí)，固定化酶葡萄糖生物傳感分析儀可以作為一種理想的仲裁工具。它們既可作為醫(yī)用類型的分析儀，還可用作生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的過(guò)程監(jiān)控、食品分析、和科研工具。多種酶?jìng)鞲衅餮芯块_發(fā)比較成熟，已形成商品，如美國(guó)YSI公司、德國(guó)BST公司的酶電極類儀器產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)較廣泛應(yīng)用的山東省生物研究所的兩種半自動(dòng)的生物傳感分析儀也有十多年的歷史，2003年還增加了一種新型的自動(dòng)血糖-乳酸分析儀。
1.3.2 用于環(huán)境檢測(cè)的生物傳感器
用于環(huán)境檢測(cè)的微生物傳感器種類很多，包括BOD傳感器和毒物傳感器。1977年Karube等報(bào)道了能夠測(cè)定水質(zhì)的BOD微生物傳感器的研究成果［7］，人類第一臺(tái)BOD微生物傳感器宣告問(wèn)世。這以后，BOD傳感器在日、美、德、瑞典等國(guó)到了開發(fā)和初步應(yīng)用，現(xiàn)也有少量國(guó)外的BOD分析儀輸入到國(guó)內(nèi)作為研究應(yīng)用。BOD分析儀產(chǎn)業(yè)起步時(shí)期望很高，但是至今商品化過(guò)程仍在艱難中徘徊，主要原因有以下幾點(diǎn)，一是用于水質(zhì)分析的微生物菌膜難于按照商品化儀器習(xí)慣的配套的試劑盒來(lái)開發(fā)，而且一種菌膜不能同時(shí)測(cè)量多種類型污水；二是受溶解氧分析的傳感器的限制，作為水質(zhì)分析的BOD分析儀測(cè)量的最低限是10毫克/升，高于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)五類水質(zhì)的上限，因此它只能測(cè)定高濃度的有機(jī)廢水，而不能對(duì)江河、海洋的水質(zhì)的污染程度的進(jìn)行測(cè)定；第三，含有活性微生物的BOD傳感器不能對(duì)同時(shí)含有重金屬類毒物的高濃度有機(jī)污水進(jìn)行測(cè)定，重金屬類毒物會(huì)造成微生物材料不可逆中毒。使測(cè)定結(jié)果降低甚至不能延續(xù)。雖然如此，BOD微生物分析儀對(duì)于我國(guó)環(huán)境廢水的排放監(jiān)控仍然有很大意義，一旦時(shí)機(jī)成熟，它將成為一類有一定市場(chǎng)規(guī)模的重要的環(huán)境生物傳感器品種。
測(cè)定有機(jī)磷的生物傳感器實(shí)際上是膽堿酯酶?jìng)鞲衅鳎驗(yàn)閷Ｒ恍圆桓?、沒有價(jià)格便宜的酶源、成本較高等方面原因、在商品化方面沒有獲得突破，目前還無(wú)法用生物傳感器取代傳統(tǒng)的化學(xué)分析測(cè)定有機(jī)磷的方法。
1.3.3 SPR生物傳感器
藥物分析用生物傳感器其典型代表產(chǎn)品是SPR生物傳感器，這是一種表面膜共振分析，是實(shí)時(shí)測(cè)定生物分子結(jié)合的技術(shù),在九十年代初由發(fā)瑪西亞公司引入，以抗原抗體結(jié)合分析為例,將抗原(或抗體)通過(guò)表面化學(xué)方法固定在芯片的金箔表面,然后讓抗體(或抗原)流過(guò)抗原抗體的結(jié)合將改變膜表面液體性狀,從而影響金箔共振性質(zhì),這一改變可被實(shí)時(shí)檢測(cè)并記錄下來(lái)(這被稱之結(jié)合相)。如改讓緩沖液流過(guò)，結(jié)合的抗體(或抗原)將解離并被帶走,這同樣改變膜表面液體性狀,檢測(cè)并記錄下來(lái)的金箔共振性質(zhì)改變就是解離相。SPR生物傳感器是一種昂貴的生物傳感器分析儀，國(guó)內(nèi)只有少許有條件的實(shí)驗(yàn)室從國(guó)外購(gòu)進(jìn)，并以對(duì)外收費(fèi)的服務(wù)形式運(yùn)行。它主要用于部份新藥研發(fā)中藥物作用的分子活性基團(tuán)的識(shí)別。清華大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院電子研究所均自行研制了SPR生物傳感器。其中中國(guó)科學(xué)院電子研究所的產(chǎn)品配有小型流動(dòng)注入系統(tǒng)、溫控測(cè)試池及可批量制備的SPR生物傳感芯片。具有體積小、測(cè)定范圍寬、精度高、靈敏度高、功能完整、操作方便、可靠、耗材廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)，是一種創(chuàng)新性、實(shí)用化的現(xiàn)代科學(xué)儀器。目前，這種光、機(jī)、電一體化、智能化和實(shí)用化的SPR生化分析儀已提供幾家科研單位使用。［8］
1.3.4固定化酶生物傳感分析儀
固定化酶生物傳感分析儀是最早出現(xiàn)且精度最高的生物傳感器，它們已經(jīng)發(fā)展成一類可靠的精密分析儀器［5,6］。其特點(diǎn)是有以下幾點(diǎn)：
①穩(wěn)定性好，分析精度高。目前已商品化的分析儀具有較高智能化程度，采用性質(zhì)穩(wěn)定的過(guò)氧化氫電極或氧電極，工作性能十分可靠，配套固定化酶膜能貯存、運(yùn)送和長(zhǎng)期使用、便于裝配?？蛇B續(xù)工作上千次，穩(wěn)定性好。
②分析成本最低。由于采用了固定化酶膜作為分析工具，昂貴的酶法分析試劑可以反復(fù)使用數(shù)千次，其分析成本只有手掌型血糖分析儀的十分之一。
③品種多，應(yīng)用范圍廣，適用于許多生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)過(guò)程監(jiān)控和科學(xué)研究。
④分析速度快，不到20秒可以獲得準(zhǔn)確的分析結(jié)果，這在臨床急癥室、某些重癥病人的監(jiān)護(hù)等許多場(chǎng)合都很重要。山東省科學(xué)院生物研究所(山東省生物傳感器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)把生物傳感器與生化分析、精密儀器及計(jì)算機(jī)技術(shù)緊密結(jié)合，將其提升為實(shí)用化的科學(xué)儀器，以儀器的形式為經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科學(xué)研究服務(wù)，集成研制了許多種新的生物傳感器分析系統(tǒng)，包括單指標(biāo)的、雙指標(biāo)的和多指標(biāo)的；離線的和在線的，半自動(dòng)的與全自動(dòng)的。其階段性成果在1997年獲得了國(guó)家發(fā)明獎(jiǎng)。近十多年來(lái)，在固定化酶生物傳感分析儀領(lǐng)域上保持在國(guó)內(nèi)獨(dú)家生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)。以山東省生物傳感器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中的服務(wù)系統(tǒng)為支撐，每年實(shí)現(xiàn)生物傳感器的快速分析200萬(wàn)次以上。并形成系列化的產(chǎn)品和配套的固定化酶膜及試劑盒，在與國(guó)外同類儀器的競(jìng)爭(zhēng)中表現(xiàn)明顯的優(yōu)勢(shì)。
固定化酶生物傳感器最重要服務(wù)對(duì)象包括：臨床、食品分析、發(fā)酵工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)、防衛(wèi)安全檢測(cè)等領(lǐng)域。例如在發(fā)酵工業(yè)的氨基酸工業(yè)(味精、天冬氨酸、丙氨酸、賴氨酸等)、抗生素工業(yè)(葡萄糖等的在線監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng))、酒類工業(yè)(酒精生物傳感器1min可得到結(jié)果)、酶制劑工業(yè)(糖化酶快速分析)、淀粉糖工業(yè)(葡萄糖、淀粉、糖化酶的分析)、生物細(xì)胞培養(yǎng)(葡萄糖、乳酸、谷氨酰胺分析)、石化工業(yè)中微生物脫硫細(xì)胞培養(yǎng)監(jiān)控、維生素C的生產(chǎn)、發(fā)酵甘油的生產(chǎn)等，生物傳感器檢測(cè)技術(shù)是生物加工類企業(yè)改造的重要途徑之一，在線生物傳感器分析是建立生產(chǎn)模擬系統(tǒng)和實(shí)時(shí)檢測(cè)的新工具。
中國(guó)味精企業(yè)是應(yīng)用酶生物傳感器最早、普及面最廣的行業(yè)，現(xiàn)有用戶59家單位147臺(tái)生物傳感分析儀在正常運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)快速測(cè)定葡萄糖、谷氨酸和L-乳酸等成分的含量，及時(shí)了解發(fā)酵罐中發(fā)酵液成分變化，有效地對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制，使產(chǎn)量和質(zhì)量不斷地得到提高。技術(shù)人員通過(guò)生物傳感器檢測(cè)和控制，提高了原料淀粉糖和發(fā)酵產(chǎn)品的質(zhì)量，減輕了有機(jī)排污量，在發(fā)酵產(chǎn)品的離交回收工段應(yīng)用生物傳感器后，增收效果尤為顯著。生物傳感器被譽(yù)為是發(fā)酵工廠的眼睛，是十多年來(lái)這個(gè)行業(yè)不可缺少的新檢測(cè)工具。據(jù)2001~2003年期間對(duì)幾家運(yùn)轉(zhuǎn)良好的味精發(fā)酵企業(yè)的調(diào)研測(cè)算，年對(duì)全行業(yè)產(chǎn)生增產(chǎn)節(jié)支效益達(dá)到3億多元，十多年累計(jì)已產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到14.5億元。
生物化工行業(yè)是這幾年發(fā)展很快的新領(lǐng)域，一些產(chǎn)品如L-乳酸、谷氨酰胺、賴氨酸、乙醇、異維生素C、維B12、脫硫微生物、新型多聚糖的研發(fā)和生產(chǎn)都已開始應(yīng)用生物傳感器作快速監(jiān)測(cè)，如在L-乳酸的研發(fā)中，應(yīng)用生物傳感器檢測(cè)，可以明確研究目標(biāo)，避免研究走入歧途。目前共有39個(gè)單位44臺(tái)套分析儀在運(yùn)行中。
大學(xué)及研究院所也是生物傳感器的主要服務(wù)對(duì)象之一，有39家科研院校的58臺(tái)儀器投入了應(yīng)用，為科研人員節(jié)省大量的時(shí)間。生物傳感器為食品檢測(cè)單位提供了方便的真假純生啤酒的鑒別方法，并制定了生物傳感器應(yīng)用于食品的分析標(biāo)準(zhǔn)。
生物傳感分析儀還用于國(guó)內(nèi)19家疾病控制中心、防疫站和醫(yī)學(xué)研究單位，對(duì)抗疲勞功能食品進(jìn)行快速檢測(cè)，受到應(yīng)用單位的歡迎。
有近100家體育運(yùn)動(dòng)單位在訓(xùn)練中應(yīng)用生物傳感分析儀，從一個(gè)側(cè)面為高競(jìng)技體育訓(xùn)練提供了檢查訓(xùn)練效果的檢測(cè)方法，對(duì)重要的高競(jìng)技體育比賽成績(jī)的獲得起了科研保證作用。
經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的需求是研發(fā)新儀器的原動(dòng)力。1989年，我國(guó)第一種生物傳感器的實(shí)用化儀器---SBA-30型乳酸分析儀誕生，這是國(guó)家體委為迎接在北京召開的亞運(yùn)會(huì)的招標(biāo)項(xiàng)目。項(xiàng)目在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中應(yīng)用，并獲得了科學(xué)技術(shù)成果獎(jiǎng)勵(lì)。谷氨酸-葡萄糖雙功能分析儀是在1992年完成的，它為我國(guó)生物傳感器在工業(yè)控制領(lǐng)域得到大規(guī)模應(yīng)用創(chuàng)造了良好條件，生物傳感分析儀取代了傳統(tǒng)繁瑣的還原糖分析方法和笨重的生化類分析儀---瓦氏呼吸機(jī)。2004年4月，我國(guó)出現(xiàn)劣質(zhì)奶粉事件，針對(duì)我國(guó)嬰兒奶粉市場(chǎng)混亂的現(xiàn)狀，用生物傳感器分析奶制品中乳糖、淀粉(麥芽糊精)和蔗糖等三種成分的科研項(xiàng)目得到立項(xiàng)啟動(dòng)。最近，在國(guó)外瘋牛病引發(fā)的飼料行業(yè)賴氨酸出現(xiàn)熱銷的背景下，一種快速分析發(fā)酵生產(chǎn)中賴氨酸含量的生物傳感分析儀已投放市場(chǎng)。
我國(guó)固定化酶生物傳感分析儀已實(shí)現(xiàn)較好的推廣(見表3-36)，至2004年上半年，應(yīng)用用戶達(dá)到271家，數(shù)量達(dá)到423臺(tái)套，復(fù)蓋了全國(guó)各省市。累計(jì)實(shí)現(xiàn)直接經(jīng)濟(jì)效益1200萬(wàn)元。其中在生物技術(shù)企業(yè)應(yīng)用約200臺(tái)套，產(chǎn)生了間接經(jīng)濟(jì)效益14.5億元，平均每臺(tái)儀器產(chǎn)生700萬(wàn)元間接效益。固定化酶生物傳感器對(duì)生物技術(shù)和傳統(tǒng)生物加工產(chǎn)業(yè)的推廣應(yīng)用，突破了長(zhǎng)期在生物技術(shù)研究和生產(chǎn)中缺乏快速、實(shí)時(shí)、實(shí)用的生化成分分析儀器的瓶頸，起到了其它技術(shù)不能取代的作用。
1.4 國(guó)內(nèi)外差距的比較
我國(guó)生物傳感器的產(chǎn)業(yè)正處在發(fā)展階段，有較大經(jīng)濟(jì)潛力的項(xiàng)目主要是手掌型血糖分析儀及胰島素泵二類產(chǎn)品。生產(chǎn)單位不多，都屬于中小型企業(yè)。但是行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈。與外資公司同類產(chǎn)品相比較，技術(shù)上差距不大。
我國(guó)在固定化酶生物傳感器研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用方面居國(guó)際領(lǐng)先水平，經(jīng)過(guò)15年發(fā)展已有許多應(yīng)用單位，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)影響大，產(chǎn)生了比較顯著的經(jīng)濟(jì)效益。但是作為一類生物技術(shù)專用的檢測(cè)工具，其產(chǎn)業(yè)規(guī)模不大。固定化酶生物傳感分析儀的應(yīng)用，離不開配套試劑盒供應(yīng)和持久的技術(shù)服務(wù)。十五年來(lái)，山東省科學(xué)院生物研究所(山東省生物傳感器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)堅(jiān)持了這種持久的技術(shù)服務(wù)。
1. 5 產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景展望
21世紀(jì)將是生物經(jīng)濟(jì)時(shí)代。而生物傳感器則作為生物技術(shù)支撐及關(guān)鍵設(shè)備之一，也必然會(huì)得到極大的發(fā)展，成為生物技術(shù)發(fā)展中出現(xiàn)的新產(chǎn)業(yè)鏈，它們將進(jìn)一步與信息技術(shù)相結(jié)合，發(fā)展成為生物技術(shù)的數(shù)字工程。
測(cè)定各種生化成分的生物傳感器，它的用途遍及臨床診斷、工業(yè)控制、食品和藥物分析（包括中醫(yī)藥研究開發(fā)）、環(huán)境保護(hù)各個(gè)領(lǐng)域，仍然有許多品種有待于研制。今后十年中將會(huì)有許多新領(lǐng)域在進(jìn)一步應(yīng)用生物傳感器方面獲得突破性進(jìn)展。
在家用醫(yī)療保健類生物傳感器方面，手掌型血糖儀試劑條的穩(wěn)定性、保存性還不理想，血糖標(biāo)準(zhǔn)濃度控制方法有待于建立。當(dāng)前不破皮血糖分析儀也已問(wèn)世，但是在應(yīng)用上還有許多技術(shù)需要深入研究。
診斷各種疾病的醫(yī)用傳感器，還有待于引深研發(fā)，例如谷氨酸傳感器是一種穩(wěn)定的脫氫酶、轉(zhuǎn)氨酶、血氨的指示性傳感器，它在臨床急癥室等許多場(chǎng)合可取代光度法測(cè)定，有潛在應(yīng)用前景；測(cè)定胸外科病人乳酸指標(biāo)的生物傳感器也已開始應(yīng)用,與腎透析聯(lián)用的幾種生物傳感器也有產(chǎn)業(yè)化開發(fā)價(jià)值。今后十年這些生物傳感器將逐漸得到普及。高速的、可以普及的使用的免疫生物傳感器技術(shù)也有待于研究的突破。
生物檢測(cè)專用設(shè)備中的固定化酶生物傳感器產(chǎn)品有市場(chǎng)前景、有科技含量、具有高附加值，但是受現(xiàn)階段生物技術(shù)產(chǎn)品市場(chǎng)規(guī)模的限制，其市場(chǎng)容量相當(dāng)有限。建議由國(guó)家支持建立一個(gè)小規(guī)模的國(guó)家工程技術(shù)中心，這有利于堅(jiān)持一些小品種的生物傳感器分析技術(shù)的社會(huì)服務(wù)，以推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
（轉(zhuǎn)載）
