[科普中國(guó)]-免疫傳感器

生物傳感器發(fā)展很快，已逐漸應(yīng)用于食品、工業(yè)、環(huán)境檢測(cè)和臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。免疫傳感器作為一種新興的生物傳感器中，以其鑒定物質(zhì)的高度特異性、敏感性和穩(wěn)定性受到青睞 ，它的問(wèn)世使傳統(tǒng)的免疫分析發(fā)生了很大的變化。它將傳統(tǒng)的免疫測(cè)試和生物傳感技術(shù)融為一體，集兩者的諸多優(yōu)點(diǎn)于一身，不僅減少了分析時(shí)間、提高了靈敏度和測(cè)試精度，也使得測(cè)定過(guò)程變得簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，有著廣闊的應(yīng)用前景。隨著生物工程技術(shù)的發(fā)展 ，已經(jīng)研制出能對(duì)各種微生物、細(xì)胞表面抗原或各種蛋白質(zhì)抗原分泌單克隆抗體的融合細(xì)胞 ，由這些細(xì)胞產(chǎn)生的單克隆抗體，已廣泛進(jìn)入生物學(xué)及其他領(lǐng)域。隨著雜交瘤(hybrido2ma)技術(shù)的發(fā)展，使得各種化合物都可能產(chǎn)生相應(yīng)的抗體。這將會(huì)使免疫測(cè)試有更加廣泛的應(yīng)用前景。

原理一旦有病原體或者其他異種蛋白(抗原)侵入某種動(dòng)物體內(nèi)，體內(nèi)即可產(chǎn)生能識(shí)別這些異物并把它們從體內(nèi)排除的抗體?？乖涂贵w結(jié)合即發(fā)生免疫反應(yīng)，其特異性很高，即是具有極高的選擇性和靈敏度。免疫傳感器就是利用抗原(抗體)對(duì)抗體(抗原)的識(shí)別功能而研制成的生物傳感器。

構(gòu)造使用光敏元件作為信息轉(zhuǎn)換器，利用光學(xué)原理工作的光學(xué)免疫傳感器，是免疫傳感器家族的一個(gè)重要成員。光敏器件有光纖、波導(dǎo)材料、光柵等。生物識(shí)別分子被固化在傳感器，通過(guò)與光學(xué)器件的光的相互作用，產(chǎn)生變化的光學(xué)信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)變化的光學(xué)信號(hào)來(lái)檢測(cè)免疫反應(yīng)。下面將介紹把免疫測(cè)定和光學(xué)測(cè)量有機(jī)結(jié)合起來(lái)的幾種有代表性的傳感器的構(gòu)造。

夾層光纖傳感器

將末端涂有試劑(如抗原)的光纖浸入溶液中來(lái)檢測(cè)溶液里是否存在與試劑互補(bǔ)的物質(zhì)(抗體) 。若溶液中的確存在抗體，就會(huì)和抗原結(jié)合。將結(jié)合了抗體的光纖浸入含有被熒光標(biāo)記的抗原溶液里，帶有熒光指示劑的抗原會(huì)和抗體結(jié)合。在光纖的另一端加上光源 ,將返回一個(gè)熒光信號(hào)。待測(cè)試抗體濃度越高，就有更多的熒光標(biāo)記抗原與其結(jié)合，返回的熒光信號(hào)越強(qiáng)。

位移光纖傳感器

光纖末端涂有試劑(如抗原)，帶有熒光標(biāo)記的試劑(抗體)被密封在有透析能力的薄膜里。抗體與透析膜內(nèi)被標(biāo)記的抗體互補(bǔ) ,因此抗原和抗體有結(jié)合的傾向。將這套裝置浸入樣本溶液中，若溶液里也含有與抗原互補(bǔ)的抗體 ,該抗體就有與帶有熒光標(biāo)記的抗體競(jìng)爭(zhēng)、與光纖末端抗原結(jié)合的傾向。此時(shí)在光纖的另一端加上光源，將返回一個(gè)熒光信號(hào)。樣本溶液里待測(cè)抗體的濃度越高 ，返回的熒光信號(hào)就會(huì)越弱。所以 ，待測(cè)抗體的濃度和返回的熒光信號(hào)強(qiáng)度成反比。

表面等離子體共振( SPR)傳感器

該傳感器包括一個(gè)鍍有薄金屬鍍層的的棱鏡，其中金屬層成為棱鏡和絕緣體之間的界面。一束橫向的磁化單向偏振光入射到棱鏡的一個(gè)面上，被金屬層反射，到達(dá)棱鏡的另一面。反射光束的強(qiáng)度可以測(cè)量出來(lái)，用來(lái)計(jì)算入射光束的入射角θ的大小。反射光的強(qiáng)度在某一個(gè)特殊的入射角度 Φsp 突然下降 ，就在這個(gè)角度，入射光的能量與由金屬 -絕緣體交接面激勵(lì)產(chǎn)生的表面等離子共振(或“SPR” )相匹配。將一層薄膜(如生物膜)沉淀在金屬層上，絕緣物質(zhì)的折射系數(shù)會(huì)發(fā)生改變。折射系數(shù)依賴于絕緣物質(zhì)和沉淀膜的厚度和密度的大小。測(cè)試陷波角的值，沉淀膜的厚度和密度就可以推導(dǎo)出來(lái)。

光柵生物傳感器

一束入射激光束進(jìn)入平面波導(dǎo)的一端。平面波導(dǎo)包括一層非常薄的高折射率膜(如生物膜)以及玻璃載體。薄膜表面上放置一光柵，該光柵使激光以一定的出射角射出平面波導(dǎo)，出射角的大小與激光導(dǎo)向模式的有效折射率有關(guān)。在光柵上涂一層試劑，將盛有樣本溶液的容器置于光柵上，如果樣本中的物質(zhì)與試劑層發(fā)生反應(yīng)，有效折射系數(shù)就會(huì)改變 ,從而改變出射角。出射光束角度的變化與試劑和待測(cè)物質(zhì)反應(yīng)生成的薄膜厚度有關(guān)。動(dòng)槽。如果樣本溶液內(nèi)含有與該抗原互補(bǔ)的抗體，它們就會(huì)結(jié)合，槽內(nèi)膜的厚度就會(huì)增加。利用光譜儀測(cè)試膜的厚度是否增加 ，可以檢測(cè)待測(cè)物質(zhì)是否存在。

應(yīng)用檢測(cè)食品中的毒素和細(xì)菌

食品在產(chǎn)前、運(yùn)輸、加工和銷售等環(huán)節(jié)都有可能被污染，而且毒性大，很多有致畸、致癌的作用。為了防止毒素超標(biāo)的食品和飼料進(jìn)入食物鏈 ，加強(qiáng)對(duì)其的檢測(cè)非常重要。伏馬菌素(Fumonisins)是一種真菌毒素，和人畜的多種疾病有關(guān)。其中 Fumonisins B1 ( FB1 )是天然污染

玉米樣品、飼料的主要伏馬菌素組分。Wayne 等人用等離子體共振免疫傳感器來(lái)檢測(cè)玉米抽提物中的 FB1濃度?？?FB1 的多克隆抗體被吸附到一結(jié)合在表面等離子體共振免疫傳感器裝置中的玻璃的棱鏡的金膜上，二極管發(fā)射的光束通過(guò)棱鏡聚焦到金膜表面以激發(fā) SPR。當(dāng)加入樣品 ,反射光靈敏地改變，改變的角度與 FB1 的濃度成比例。葡萄球菌腸毒素(SEB)是人類經(jīng)常發(fā)生食物中毒的主要原因 ,是食品污染的病原體。緩沖液、人血清、火腿中的 SEB 可以通過(guò)一輕便的光纖免疫傳感器來(lái)測(cè)定。親和純化的兔抗 SEB(一抗)捕獲抗體共價(jià)結(jié)合到光纖上以結(jié)合 SEB。然后用結(jié)合上 Cy5 標(biāo)記的親和純化羊抗 SEB (二抗)檢測(cè)抗體，從而在光纖表面形成熒光復(fù)合物。檢測(cè)熒光強(qiáng)度可以知道 SEB 的濃度。其在火腿抽提物中的檢測(cè)靈敏度為 5 ng/ ml ，奶油制品中 SEB 也可以由免疫傳感器來(lái)檢測(cè)。其檢測(cè)下限為 5 ng/ g.還可以用光纖免疫傳感器檢測(cè)黃曲霉毒素、肉毒毒素、金黃色葡萄球菌等。

檢測(cè)DNA 光纖

免疫傳感器可以用來(lái)進(jìn)行DNA分子的識(shí)別、測(cè)序。其原理是將有反應(yīng)性的一單股核苷酸(長(zhǎng)度在18～50 個(gè)堿基之間)固定在某種支持物(傳感器)上作為探針，可以在復(fù)雜環(huán)境成份下特異地識(shí)別出某一靶子底物 ，并通過(guò)換能裝置轉(zhuǎn)換成可以檢測(cè)到的光電信號(hào)。檢測(cè)的方法有熒光型和表面等離子體共振(SPR)型傳感器。熒光檢測(cè)法是在 DNA 探針中或待測(cè)靶基因中標(biāo)上熒光標(biāo)記物 ，也可在 DNA 雜交后加入熒光標(biāo)記物。通過(guò)測(cè)定熒光標(biāo)記嵌入 DNA 雙螺旋間所導(dǎo)致的熒光信號(hào)的變化，檢測(cè) DNA. Krull 等以共價(jià)固定在石英表面的DNA探針與溶液中其靶基因雜交45min后，與熒光嵌入染料溴乙啶( EB)反應(yīng) ，根據(jù)熒光強(qiáng)度與溶中互補(bǔ) DNA 的量的正比關(guān)系進(jìn)行分析，可檢測(cè)出86 μg/L 的 DNA. Bier 等以花青二聚體 YOYO 及Picogreen作為與 DNA 雙鏈緊密親和的熒光嵌入劑，由于與DNA雜交體間的雙嵌入作用，使得完全配對(duì)、單堿基錯(cuò)配及兩個(gè)以上不匹配所產(chǎn)生的熒光信號(hào)有明顯不同，從而能夠明顯區(qū)分不同DNA序列。還可以用表面等離子體共振傳感器檢測(cè) DNA 序列 ,Bier 等做了這樣的工作。

檢測(cè)殘留的農(nóng)藥

隨著生活水平的提高，對(duì)糧食、肉制品殘留農(nóng)藥限量的要求也越來(lái)越高。傳統(tǒng)的薄層層析法和氣相色相譜已過(guò)時(shí)。EL ISE方法雖然簡(jiǎn)單但費(fèi)時(shí)。免疫傳感器靈敏度高、檢測(cè)時(shí)間短，正好顯示了它的優(yōu)點(diǎn)?；前纷鳛楂F醫(yī)用藥可進(jìn)入動(dòng)物食品 ，對(duì)人體健康不利。Ase等人用表面等離子體共振免疫傳感器快速測(cè)定了脫脂牛奶和生牛奶中的硫胺二甲嘧啶殘留物。檢測(cè)精度低于 1μg/ ml 。多氯化聯(lián)苯(Polychlorinated Biphenyls PCBs)是一種殺蟲(chóng)劑 ，在水、食物、牛奶中可檢測(cè)到，過(guò)量會(huì)導(dǎo)致腦纖免疫傳感器對(duì)其測(cè)定，檢測(cè)下限為 10 mg/ L。光纖免疫傳感器還用在了硫磷的檢測(cè)中，且靈敏度極高，分別達(dá)到 1 nmol/ L、013μg/ L。

毒品和濫用藥物的檢測(cè)

在吸毒人員的戒毒治療和以后的監(jiān)測(cè)中對(duì)毒品的檢測(cè)很重要 ，以及對(duì)麻醉和精神藥物的檢測(cè) ，大都通過(guò)對(duì)生物體液如血液、尿液、甚至頭發(fā)中的代謝物進(jìn)行檢測(cè)。由于藥物含量及樣本量常常很少 ，所以要求檢測(cè)儀器有很高的靈敏度、精度和可靠性。光學(xué)免疫傳感器正符合這樣的要求。常用的有酶免疫光學(xué)測(cè)試和熒光免疫光學(xué)測(cè)試。利用熒光免疫分析的商品試劑盒已經(jīng)廣泛用于嗎啡和可卡因的檢測(cè)。此外 ，光學(xué)免疫傳感器還用在了其他的一些領(lǐng)域 ，如在法醫(yī)學(xué)中鑒定微量血痕種屬使用了熒光免疫分析法 ，可以測(cè)量二十萬(wàn)倍稀釋的血痕樣本在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面光學(xué)免疫傳感器也用的越來(lái)越多。

優(yōu)勢(shì)提高了靈敏度，降低了檢測(cè)下限；減少分析時(shí)間；簡(jiǎn)化分析過(guò)程；設(shè)備小型化；測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化。光學(xué)免疫傳感器可以高靈敏地檢測(cè)免疫反應(yīng)，并進(jìn)行精細(xì)免疫化學(xué)分析。其中發(fā)展最迅速的是光纖免疫傳感器 ，它除了靈敏度高、尺寸小、制作使用方便以外，還在于檢測(cè)中不受外界電磁場(chǎng)的干擾。光纖免疫傳感器有著非常好的應(yīng)用前景。根據(jù)標(biāo)記與否 ，光學(xué)免疫傳感器可分為無(wú)標(biāo)記和有標(biāo)記兩種類型。前者有表面等離子體共振(SPR)免疫傳感器、光柵生物傳感器、法布里 · 波羅脫生物傳感器等。有標(biāo)記的光學(xué)免疫傳感器如夾層光纖傳感器、位移光纖傳感器等。有標(biāo)記的光學(xué)傳感器中使用的標(biāo)記有放射性同位素、酶、熒光物質(zhì)等。非標(biāo)記的光學(xué)免疫傳感器不用任何標(biāo)記物，一般利用光學(xué)技術(shù)直接檢測(cè)傳感器表面的光線吸收、熒光、光纖散射或折射率的微小變化。非標(biāo)記型比標(biāo)記型光學(xué)傳感器所需的測(cè)試儀器更為簡(jiǎn)單，而且沒(méi)有毒副作用，適合做動(dòng)物的體內(nèi)測(cè)試。

并在于抗原與抗體的結(jié)合具有很高的特異性，從而減少了非特異性干擾。光學(xué)免疫傳感器更具有靈敏度高、測(cè)試精度高的特點(diǎn)，并適合在電子干擾或磁場(chǎng)干擾的環(huán)境里進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。光纖免疫傳感器體積小、重量輕、可作成一次性探針的形式，適合體內(nèi)檢測(cè)以及野外現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，是免疫傳感器的重要發(fā)展方向。光學(xué)免疫傳感器已經(jīng)能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)抗原抗體的反應(yīng) ,進(jìn)行定量測(cè)量 ,即在抗原抗體反應(yīng)的同時(shí)將反應(yīng)連續(xù)記錄下來(lái)，以便進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。光學(xué)免疫傳感器的出現(xiàn)和發(fā)展正在促使免疫檢測(cè)手段朝電器化、自動(dòng)化、簡(jiǎn)便化和快速化方向發(fā)展?？傊?，集生物學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)與醫(yī)學(xué)為一體的光學(xué)免疫傳感技術(shù)，有巨大的發(fā)展?jié)摿?，它不但能推?dòng)傳統(tǒng)免疫傳感技術(shù)的發(fā)展 ,而且將影響臨床、食品衛(wèi)生和環(huán)境監(jiān)測(cè)等諸多領(lǐng)域里的實(shí)用性研究。

發(fā)展趨勢(shì)主要有如下幾點(diǎn)：

1、標(biāo)記物的種類層出不窮，從酶和熒光發(fā)展成膠乳顆粒、膠體金、磁性顆粒和金屬離子等；

2、向微型化、商品化方向發(fā)展，廉價(jià)的一次性傳感表面大有潛力可挖；

3、酶免疫傳感器、壓電免疫傳感器和光學(xué)免疫傳感器發(fā)展最為迅速，尤其是光學(xué)免疫傳感器品種繁多，目前已有幾種達(dá)到了商品化，它們代表了免疫傳感器向固態(tài)電子器件發(fā)展的趨勢(shì)；

4、與計(jì)算機(jī)等聯(lián)用，向智能型、操作自動(dòng)化方向發(fā)展；

5、應(yīng)用范圍日漸擴(kuò)大，已深入到環(huán)境監(jiān)測(cè) 、食品衛(wèi)生等工業(yè)和臨床診斷等領(lǐng)域，,以后者尤為突出；

6、繼續(xù)提高其靈敏度、穩(wěn)定性和再生性 ,使其更簡(jiǎn)便、快速和準(zhǔn)確。

隨著分子生物學(xué)、材料學(xué)、微電子技術(shù)和光纖化學(xué)等高科技的迅速發(fā)展，免疫傳感器會(huì)逐步由小規(guī)模制作轉(zhuǎn)變?yōu)榇笠?guī)模批量生產(chǎn)，并在大氣監(jiān)測(cè)、地質(zhì)勘探、通訊、軍事、交通管理和汽車工業(yè)等方面起著日益廣泛的作用1。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

王強(qiáng) - 副教授 - 西南大學(xué)