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)、生物計算機等學(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、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)濟活動的基本方法。生物傳感器技術(shù)的研究重點是：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象范圍包括生物大分子、細胞、細胞器、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)分子的識別技術(shù)已形成生物芯片（DNA芯片、蛋白質(zhì)芯片）獨立學(xué)科領(lǐng)域，本文對這些領(lǐng)域?qū)⒉贿M行討論。
生物傳感器研究起源于20世紀的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”國際刊物在英國創(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。
此后包括酶傳感器的生物傳感器研究逐漸興旺起來，從用一種或多種酶作為分子識別元件的傳感器，逐漸發(fā)展設(shè)計出用其他的生物分子作識別元件的傳感器，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別元件來選擇地測量另一方。除了生物大分子以外，還可以用細胞器、細胞、組織、微生物等具有對環(huán)境中某些成分識別功能的元件來作識別元件。甚至可以用人工合成的受體分子與傳感器結(jié)合來測定微生物、細胞和相關(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)（電位測定、電導(dǎo)測定、阻抗測定）、光學(xué)（光致發(fā)光、共振表面等離子體）、機械（杠桿、壓電反應(yīng)）、熱（熱敏電阻）或者電（離子或者酶場效應(yīng)晶體管）等等。所有這些具有生物識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)展新動向。例如1992年在德國慕尼黑“國際生物傳感器流動注射分析與生物工藝控制”學(xué)術(shù)會議上對生物工藝控制和在線系統(tǒng)進行研討，至今仍作為研究者攻關(guān)的課題。2004年在西班牙格拉納達會展中心召開的第八屆世界生物傳感器大會可以說是世界生物分析系統(tǒng)領(lǐng)域的一次大的盛會［1］，參會代表人數(shù)和發(fā)表論文數(shù)量都創(chuàng)造了歷史新高。共有700余名來自世界各地的學(xué)者參加了本屆大會，第八屆世界生物傳感器大會涉及領(lǐng)域內(nèi)容空前廣泛，對9個專題進行了分組討論。包括核酸傳感器和DNA芯片、免疫傳感器、酶傳感器、組織和全細胞傳感器、用于生物傳感器的天然與合成受體、新的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)技術(shù)、系統(tǒng)整合/蛋白質(zhì)組學(xué)/單細胞分析、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。其中，單分子/細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)勢及在生命科學(xué)研究中的重要位置成為與會學(xué)者討論的熱點問題。
1.2 中國生物傳感器技術(shù)發(fā)展的過程
中國生物傳感器研究始于20世紀八十年代初，從事生物傳感器研究的科研機構(gòu)有中國科學(xué)院微生物所、中國科學(xué)院上海生化所、上海冶金所、中國科學(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是1986年由中國微生物協(xié)會酶工程專業(yè)技術(shù)委員會組織的第一屆工業(yè)生化及酶工程全國學(xué)術(shù)會議。中國酶工程專業(yè)技術(shù)委員對這一領(lǐng)域的國內(nèi)外學(xué)術(shù)交流起到很好的作用，其活動包括定期召開的全國性酶工程學(xué)術(shù)會議和每隔二年一次的中日酶工程學(xué)術(shù)會議，其中生物傳感器都是重要的研討議題。
20世紀九十年代至今我國生物傳感器研究隊伍逐漸擴大，其標(biāo)志之一是近10年來在中國國內(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“中國生物傳感器進展”一書在美國出版[2]，表明了生物傳感器領(lǐng)域?qū)W科相互交叉的趨勢。表3-31列出了我國生物傳感器的有代表性的主要研究機構(gòu)。
表3-31 我國生物傳感器領(lǐng)域的主要研究機構(gòu)單位和研究方向
中國科學(xué)院微生物所
臨床診斷分析用生物傳感器
中國科學(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實驗室主任
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)系生物膜重點實驗室
用于分子識別分析的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
中國科學(xué)院電子學(xué)研究所傳感技術(shù)國家重點實驗室
氫離子敏場效應(yīng)管，仿生生物傳感器，小型臺式SPR測試儀,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
中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)所
主編的中國生物傳感器進展一書在美國出版，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家專業(yè)實驗室
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實驗室
體內(nèi)藥物傳感器的開發(fā)研究
1.3 我國生物傳感器產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)狀
當(dāng)前我國生物傳感器產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀和市場特點是：我國自主研發(fā)生物傳感器產(chǎn)品及跨國企業(yè)集團在中國推出的產(chǎn)品共存并相互競爭。一些掌握生物傳感器技術(shù)的跨國大企業(yè)集團，看好被稱為“世界工廠”的中國市場，采取技術(shù)輸出的途徑，吸收我國的技術(shù)力量和銷售途徑，在我國市場上進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)歸國的生物傳感器專門人才也將自己的成果在中國轉(zhuǎn)化并設(shè)廠辦企業(yè)。家用保健類生物傳感器技術(shù)已率先較好地實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化突破，取得了顯著經(jīng)濟效益。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)過程檢測，對傳統(tǒng)生物產(chǎn)業(yè)技術(shù)改造具有重要意義。我國生物傳感器產(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
開始完成時間
年產(chǎn)值或市場規(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)，
中國科學(xué)院武漢病毒所，長沙三諾公司，北京世安公司
1996年至今
估測，2003年銷售量為1億元人民幣(含進口產(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年銷售量已達到1億元人民幣。(含國外廠商進口產(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實驗室
1989年至今
共供應(yīng)各類固定化酶分析儀423臺套，年完成分析200萬次，產(chǎn)值120萬元人民幣
BOD微生物傳感器
中國科學(xué)院武漢病毒所、中國科學(xué)院長春應(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，中國科學(xué)院電子研究所
1998年至今
實驗室規(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，它們在改善糖尿病人的健康方面起到了非常重要的作用。
20世紀七十年代，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，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)展出二個相關(guān)獨立的大產(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
糖尿病人可以自測的手掌型血糖分析器已經(jīng)達到大規(guī)模應(yīng)用的程度。在上世紀７０年代血糖自我監(jiān)測儀器就已問市，使血糖的檢驗由醫(yī)院延伸到家中。８０年新一代血糖及操作技術(shù)簡單化，使得自我監(jiān)測血糖的準(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)是價位在500-1800元之間的簡易型儀器，適于家用和病人自己使用。據(jù)報道，韓國LG公司推出的可測定血糖的手機，也已在中國市場上出現(xiàn)。表3-33列出了我國市場上現(xiàn)有的血糖儀系列產(chǎn)品，其中包括國外著名的健康事業(yè)公司和我國自主研發(fā)產(chǎn)品為主的企業(yè)。
表3-33 我國市場的血糖儀系列產(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。
美國雅培血糖儀
1996年，雅培公司收購了MediSense后進入了血糖儀監(jiān)護市場，而MediSensE公司是第一家將采用傳感器技術(shù)進行血糖檢測并有產(chǎn)品進入市場的公司。據(jù)雅培稱，目前全球每天有250萬人使用MediSense的血糖儀，同時雅培還推出了血酮測定儀
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PALCO公司MB胰島素注射筆。公司成立于1996年，是專業(yè)經(jīng)營糖尿病產(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多個辦事處和遍及全國的經(jīng)銷代理機構(gòu)的完整銷售網(wǎng)絡(luò)，年銷售額過千萬的糖尿病產(chǎn)品專營公司。
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)營的怡成血糖儀是我國最早出現(xiàn)的國產(chǎn)血糖儀。產(chǎn)品榮獲國家技術(shù)監(jiān)督局頒發(fā)的新產(chǎn)品證書。
三諾血糖儀
長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，位于湖南長沙留學(xué)人員創(chuàng)業(yè)園
德國賽斯馬克血糖儀
北京康聯(lián)醫(yī)用設(shè)備有限公司德國賽斯馬克血糖儀,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)歸國人員組織生產(chǎn)“家用手持式血糖測試儀及測試條”，屬上海市高新技術(shù)成果轉(zhuǎn)化認定項目。2001年4月試生產(chǎn)并投放市場銷售，2002年已實現(xiàn)銷售額數(shù)百萬元人民幣。
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)計的智能式輸注裝置［3］?，F(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，從嚴格的意義來說，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)終究會實現(xiàn)。
1993年6月國際衛(wèi)生協(xié)會發(fā)布了為期10年的糖尿病控制與并發(fā)癥試驗結(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)界公認的糖尿病患者注射胰島素的首選方式。雖然市場銷售價格不菲，但是市場效益巨大，甚至超過了手掌型血糖分析儀。一些大醫(yī)藥集團都把血糖儀和胰島素泵捆綁在一起經(jīng)營的。
根據(jù)有關(guān)網(wǎng)站調(diào)研數(shù)據(jù)表明，2003年我國新增使用胰島素泵的患者達到1500人。加上2002年1000人，兩年來的總和，是2002年以前的銷量總和的兩倍。據(jù)此估測，在中國胰島素泵的銷售量已達到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)競爭是不可避免的。2004年，福尼亞、圣唐的新型號，MESMED普及型紛紛準(zhǔn)備上市，加上市場已經(jīng)投放的5個品牌6個型號，糖尿病患者今年購買胰島素泵的選擇余地將擴大到7~9個型號。2004年價格方面，競爭中的普及型的價格分別為16800~19800元，都沒有超過2萬元，而幾年前其市場價格每臺則高達7萬元，因此，市場競爭最終的受益者是廣大消費者。
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Cygnus公司正在開發(fā)的手表式血糖監(jiān)測儀是一種連續(xù)的自動血糖監(jiān)測裝置。在對其校準(zhǔn)之后，該裝置無疼痛地進行監(jiān)測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，使用低電流無痛地將血糖抽取到自耗式經(jīng)皮透滲貼片(自動傳感器)。該自動傳感器內(nèi)置一個生物傳感器，安放在手表式血糖監(jiān)測儀的背面，緊貼在皮膚上。收集到的血糖在自動傳感器內(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)測儀可在頻繁地間隔內(nèi)測量血糖值。這種手表式血糖監(jiān)測儀市場零售價為21800元。它能每隔10分鐘自動采集一次血糖數(shù)據(jù),即時顯示血糖狀態(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集團之一日立公司最近也推出了不破皮采血測定血糖的儀器。它的原理是利用長波１０５０－２４５０ｎｍ的ＮＩＲ照射穿透身體時，葡萄糖會吸收一部分光波，光譜分析儀再根據(jù)光波被吸收的程度計算出葡萄糖值。它的缺點為需要時常校正，且其測定易受體內(nèi)因素如水分，脂肪、皮膚、肌肉、骨骼、服用之藥物、血色素濃度、體溫及營養(yǎng)狀態(tài)等影響，所以在人體研究的成果還有待驗證，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。其分析精度可以達到0.5-2%，比家用保健類生物傳感器幾乎高一個數(shù)量級，比目前醫(yī)用生化分析儀的精度也高2-3個百分點。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。尤其是在市場銷售的手掌型血糖分析儀出現(xiàn)質(zhì)量事故時，需要另一種有說服力分析方法證明其分析結(jié)果時，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)的過程監(jiān)控、食品分析、和科研工具。多種酶傳感器研究開發(fā)比較成熟，已形成商品，如美國YSI公司、德國BST公司的酶電極類儀器產(chǎn)品。國內(nèi)較廣泛應(yīng)用的山東省生物研究所的兩種半自動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血糖-乳酸分析儀。
1.3.2 用于環(huán)境檢測的生物傳感器
用于環(huán)境檢測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等報道了能夠測定水質(zhì)的BOD微生物傳感器的研究成果［7］，人類第一臺BOD微生物傳感器宣告問世。這以后，BOD傳感器在日、美、德、瑞典等國到了開發(fā)和初步應(yīng)用，現(xiàn)也有少量國外的BOD分析儀輸入到國內(nèi)作為研究應(yīng)用。BOD分析儀產(chǎn)業(yè)起步時期望很高，但是至今商品化過程仍在艱難中徘徊，主要原因有以下幾點，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開發(fā)，而且一種菌膜不能同時測量多種類型污水；二是受溶解氧分析的傳感器的限制，作為水質(zhì)分析的BOD分析儀測量的最低限是10毫克/升，高于國際標(biāo)準(zhǔn)五類水質(zhì)的上限，因此它只能測定高濃度的有機廢水，而不能對江河、海洋的水質(zhì)的污染程度的進行測定；第三，含有活性微生物的BOD傳感器不能對同時含有重金屬類毒物的高濃度有機污水進行測定，重金屬類毒物會造成微生物材料不可逆中毒。使測定結(jié)果降低甚至不能延續(xù)。雖然如此，BOD微生物分析儀對于我國環(huán)境廢水的排放監(jiān)控仍然有很大意義，一旦時機成熟，它將成為一類有一定市場規(guī)模的重要的環(huán)境生物傳感器品種。
測定有機磷的生物傳感器實際上是膽堿酯酶傳感器，因為專一性不高、沒有價格便宜的酶源、成本較高等方面原因、在商品化方面沒有獲得突破，目前還無法用生物傳感器取代傳統(tǒng)的化學(xué)分析測定有機磷的方法。
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，是實時測定生物分子結(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),這一改變可被實時檢測并記錄下來(這被稱之結(jié)合相)。如改讓緩沖液流過，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,檢測并記錄下來的金箔共振性質(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，國內(nèi)只有少許有條件的實驗室從國外購進，并以對外收費的服務(wù)形式運行。它主要用于部份新藥研發(fā)中藥物作用的分子活性基團的識別。清華大學(xué)和中國科學(xué)院電子研究所均自行研制了SPR生物傳感器。其中中國科學(xué)院電子研究所的產(chǎn)品配有小型流動注入系統(tǒng)、溫控測試池及可批量制備的SPR生物傳感芯片。具有體積小、測定范圍寬、精度高、靈敏度高、功能完整、操作方便、可靠、耗材廉價等優(yōu)點，是一種創(chuàng)新性、實用化的現(xiàn)代科學(xué)儀器。目前，這種光、機、電一體化、智能化和實用化的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］。其特點是有以下幾點：
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、運送和長期使用、便于裝配。可連續(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)護等許多場合都很重要。山東省科學(xué)院生物研究所(山東省生物傳感器重點實驗室)把生物傳感器與生化分析、精密儀器及計算機技術(shù)緊密結(jié)合，將其提升為實用化的科學(xué)儀器，以儀器的形式為經(jīng)濟建設(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，半自動的與全自動的。其階段性成果在1997年獲得了國家發(fā)明獎。近十多年來，在固定化酶生物傳感分析儀領(lǐng)域上保持在國內(nèi)獨家生產(chǎn)的優(yōu)勢。以山東省生物傳感器重點實驗室中的服務(wù)系統(tǒng)為支撐，每年實現(xiàn)生物傳感器的快速分析200萬次以上。并形成系列化的產(chǎn)品和配套的固定化酶膜及試劑盒，在與國外同類儀器的競爭中表現(xiàn)明顯的優(yōu)勢。
固定化酶生物傳感器最重要服務(wù)對象包括：臨床、食品分析、發(fā)酵工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測、防衛(wèi)安全檢測等領(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)和實時檢測的新工具。
中國味精企業(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臺生物傳感分析儀在正常運轉(zhuǎn)，通過快速測定葡萄糖、谷氨酸和L-乳酸等成分的含量，及時了解發(fā)酵罐中發(fā)酵液成分變化，有效地對生產(chǎn)過程進行控制，使產(chǎn)量和質(zhì)量不斷地得到提高。技術(shù)人員通過生物傳感器檢測和控制，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。生物傳感器被譽為是發(fā)酵工廠的眼睛，是十多年來這個行業(yè)不可缺少的新檢測工具。據(jù)2001~2003年期間對幾家運轉(zhuǎn)良好的味精發(fā)酵企業(yè)的調(diào)研測算，年對全行業(yè)產(chǎn)生增產(chǎn)節(jié)支效益達到3億多元，十多年累計已產(chǎn)生經(jīng)濟效益達到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，如在L-乳酸的研發(fā)中，應(yīng)用生物傳感器檢測，可以明確研究目標(biāo)，避免研究走入歧途。目前共有39個單位44臺套分析儀在運行中。
大學(xué)及研究院所也是生物傳感器的主要服務(wù)對象之一，有39家科研院校的58臺儀器投入了應(yīng)用，為科研人員節(jié)省大量的時間。生物傳感器為食品檢測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內(nèi)19家疾病控制中心、防疫站和醫(yī)學(xué)研究單位，對抗疲勞功能食品進行快速檢測，受到應(yīng)用單位的歡迎。
有近100家體育運動單位在訓(xùn)練中應(yīng)用生物傳感分析儀，從一個側(cè)面為高競技體育訓(xùn)練提供了檢查訓(xùn)練效果的檢測方法，對重要的高競技體育比賽成績的獲得起了科研保證作用。
經(jīng)濟和社會發(fā)展的需求是研發(fā)新儀器的原動力。1989年，我國第一種生物傳感器的實用化儀器---SBA-30型乳酸分析儀誕生，這是國家體委為迎接在北京召開的亞運會的招標(biāo)項目。項目在運動訓(xùn)練中應(yīng)用，并獲得了科學(xué)技術(shù)成果獎勵。谷氨酸-葡萄糖雙功能分析儀是在1992年完成的，它為我國生物傳感器在工業(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。2004年4月，我國出現(xiàn)劣質(zhì)奶粉事件，針對我國嬰兒奶粉市場混亂的現(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目得到立項啟動。最近，在國外瘋牛病引發(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。
我國固定化酶生物傳感分析儀已實現(xiàn)較好的推廣(見表3-36)，至2004年上半年，應(yīng)用用戶達到271家，數(shù)量達到423臺套，復(fù)蓋了全國各省市。累計實現(xiàn)直接經(jīng)濟效益1200萬元。其中在生物技術(shù)企業(yè)應(yīng)用約200臺套，產(chǎn)生了間接經(jīng)濟效益14.5億元，平均每臺儀器產(chǎn)生700萬元間接效益。固定化酶生物傳感器對生物技術(shù)和傳統(tǒng)生物加工產(chǎn)業(yè)的推廣應(yīng)用，突破了長期在生物技術(shù)研究和生產(chǎn)中缺乏快速、實時、實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 國內(nèi)外差距的比較
我國生物傳感器的產(chǎn)業(yè)正處在發(fā)展階段，有較大經(jīng)濟潛力的項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)競爭激烈。與外資公司同類產(chǎn)品相比較，技術(shù)上差距不大。
我國在固定化酶生物傳感器研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用方面居國際領(lǐng)先水平，經(jīng)過15年發(fā)展已有許多應(yīng)用單位，對國民經(jīng)濟影響大，產(chǎn)生了比較顯著的經(jīng)濟效益。但是作為一類生物技術(shù)專用的檢測工具，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，山東省科學(xué)院生物研究所(山東省生物傳感器重點實驗室)堅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世紀將是生物經(jīng)濟時代。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)境保護各個領(lǐng)域，仍然有許多品種有待于研制。今后十年中將會有許多新領(lǐng)域在進一步應(yīng)用生物傳感器方面獲得突破性進展。
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合可取代光度法測定，有潛在應(yīng)用前景；測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。
生物檢測專用設(shè)備中的固定化酶生物傳感器產(chǎn)品有市場前景、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)品市場規(guī)模的限制，其市場容量相當(dāng)有限。建議由國家支持建立一個小規(guī)模的國家工程技術(shù)中心，這有利于堅持一些小品種的生物傳感器分析技術(shù)的社會服務(wù)，以推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
（轉(zhuǎn)載）
