生物传感器，法国革新的基点

　　[AD340X300]    在无法使用简单的物理化学方法进行检测的领域，便可以采用生物传感器进行检测分析。所谓生物传感器，是将一个生物单元坚实地固定在一个传感器上，传感器负责将生物信号转换成可以量化的信息。

　　主要的传感方法是以电化学、光学和声学为基础的。这是一个微型的机构，需要将几种关键的因素联合在一起：对所检测的目标需要有很高的敏感性和选择性，检测的结果应具有可重复性，生物传感器作为一个机构应十分坚固。信号产生于生物单元和目标分子的配对（比如酶和基质，抗原和抗体，激素和感受器）。这种具有高度特异性的自然组合（在一个复杂的环境中以某一个分子为目标）是大量存在的，使生物传感器在各种各样的领域（医学、生物学、环境等等）具有潜在的多种用途。

　　在波尔多（Bordeaux），IXL电子试验室的一个研究小组与一些免疫学家一起合作，开发了出一种“de Love”弹性波声学生物传感器。他们将一些指状组合的传感器固定在一个配置成振荡器的压电基质上，便可以探测到某种导波（在一层SiO2里），通过重量分析检测到分量变化时，便能揭示出某种免疫特异反应，变成可以直接使用的电信号。穆瓦奈博士（Dr Moynet）指出说，生物反应发生在敏感层上（敏感层厚十几个mm2，放置于SiO2的测微层之上），敏感层通过适当的抗体捕捉细菌的表位，即相应的病毒或毒素。戴茹博士（Dr Dejous）说，这种应用可使理论敏感阈值与气体传感器相近，即几十个皮克（picogramme）。目前，这一强大的免疫探测工具经过噬菌体微型传感器的检验，证明是有效的；研究人员打算利用这一工具，开发大众化的应用：用一种小型化的自主装置，实时地检测贝类养殖当中有时会有的一些毒素；使用这种检测方法费用低廉，检测装置可以是一次性使用的，而且使用方便。经过在试验室改变探测头，还可用来作为卫生检测和残留物检测的一种新方法，用于很多医学和农业食品领域，以检测对人的身体健康有危害的生物因子。

　　在格雷诺布尔（Grenoble）的Redox有机电化学和光化学试验室，在格斯尼耶博士（Dr Cosnier）的领导下，一些研究人员在生物传感器的研制方面正在做着开拓性的工作。他们正在致力于开发多层的酶结构，并将这种结构的酶固定在一种传感器的表面上。为了达到目的，他们利用了聚吡咯（polypyrrole）的性能；通过电聚合作用，这种聚吡咯能够产生功能，并形成厚度可控的膜。这样一来，便可以保护“叠放在一起”的酶在生物化学反应级联中的反应特性，使这一特性与活体内表达的反应一样。因此，必须采用一种单一的自然的亲和系统（un systeme affin naturel），即抗生物素－生物素结成的对。抗生物素（avidine）是一种“苜蓿叶”结构的具有交叉部位的蛋白，而生物素（biotine）则是一个很小的分子。吡咯单基物通过生物素产生功能，导致产生一层带有生物素基的膜（un film biotinyle）。抗生物素自动结合在这一薄膜的表面上，形成密集的单层蛋白。然后，将这一生物传感器浸在含有生物素基蛋白（proteine biotinylee）的溶液里（酶、抗体、抗原），便可将这种蛋白质固定在传感器的表面上。

　　经过这些可以重复进行的作业之后，便可以形成多层的生物结构。从而可以做成电化学微型传感器（经十多层酶改良的7 mm?微型电极），用来测定葡萄糖和神经介质的含量。另有一种更加复杂和更加现实的模式，是通过特异的双酶结构，探测磷酸苯脂。按照上述原则将抗体固定在传感器上，也可以用电化学的方法来测定人的免疫球蛋白。还可以把这种电亲和固定法（格斯尼耶博士在美国为这种方法注册了专利）应用于其它类型的传感器（微量天平的石英，或光纤），比如刚刚开发出的用光学方法检测霍乱毒素的抗体，其灵敏性远远高于现在使用的ELISA检测法。

　　 法国阿列日省（Ariege）的Argene公司是一家专门销售免疫诊断药盒的公司，该公司最近开发了一种集成了电化学的信号放大系统。该装置两、三年后将可以投放市场――第二代原型目前正在研制当中――，其敏感度与PCRa相当。

　　里昂中心学校（Ecole Centrale a Lyon）开发的生物传感器可以完成一种特殊的任务，其敏感度范围在0.5 mM到2.0 mM之间：用于检测土豆中所含的主要生物碱，这是一种有毒物质（味苦），可导致严重的中毒。但是，正如马特莱教授所指出的那样，从生物领域的需要来考虑，改良品种的人寻找的是能够对害虫具有天然抵抗能力的品种，但是生物碱的耐热性可以达到245°C，其抗虫害的能力与浓度有着直接的关系。因此，今天必须拥有一种有效的检测方法，用来检查苦质（principes amers）含量，包括残留物检测和卫生检测，以跟踪检查市场上已经有的土豆品种，和正处在农艺改良阶段的品种。传感器的工作原理是以一种场效应晶体管的测量为基础的；这种场效应晶体管对pH敏感，而pH则与需要探测的生物碱所导致的可逆性酶抑制反应有关，反应的程度与生物碱的浓度成正比例。由于反应具有可逆性，这种传感器可重复使用，最多可使用一百次。另外，由于在4°C时酶具有持续性的活性，使生物传感器的使用寿命最低可达3个月。与常规的方法相比，这一装置还有其它的优点，比如单位成本低，不超过10欧元――整个检验系统的价格为250欧元――，每次检验的反应时间低于10分钟。这种检测装置技术上已经成熟，目前正在寻求工业和商业合作伙伴。

　　在亚弗洛齐克－雷诺教授（Jaffrezic-Renault）的推动之下，试验室还开发了一种检测尿素酶的生物传感器。该型传感器也是以对pH敏感的场效应晶体管为基础制成的。用这种ENFET生物传感器，可以实时地检测生物血清中的尿素。检测是通过什么途径来实现的呢？通过固定在传感器上的酶，将这一蛋白质最终降解的产物――这种产物在机体中积累的多了，可导致严重的病态――分解成其组成成份，其中包括铵离子。铵一旦释放出来，pH值立即就会发生变化，直接激活化学敏感的传感器。这一传感器正在与图鲁兹（Toulouse）一家名叫HEMODIA的公司商谈技术转让，以应用在肾透析领域。这将是生物医学诊断领域一种非常有用的检测手段。HEMODIA公司成立于1985年，专门生产和销售单一用途的医疗装置，尤其是肾透析装置，化学疗法设施和关节腔镜检查装置。公司总经理皮埃尔·蒙托里约尔（Pierre Montoriol）说，公司也愿意开发其它正处在研究阶段的产品。

　　由同一家试验室开发的另一种生物传感器也正在寻求工业生产的合作伙伴，准备投入商业开发；这种生物传感器的作用原理与前述传感器相似，用于探测危险的有机磷杀虫剂。

　　在圣太田（Saint Etienne）的矿业学院（Ecole des mines），工业和自然过程科学系（SPIN）研制出了一些酶生物传感器，用以探测杀虫剂（有机磷和氨基甲酸酯杀虫剂）。水务总公司（La Generale des eaux）目前正在使用这些生物传感器对水质进行监测。特兰明博士（Dr Tran Minh）领导的研究小组也开发了一些超级敏感性的生物传感器（尤其是对特异小球藻），目前正在寻求技术转让，以应用于环境监测。

　　在化学诊断领域，一项具有极大好处的挑战，是在活体内――在人体内――实时地跟踪监测从潜在的意义上对机体十分有害的一种反应物质：过氧化阴离子（O2-）。这种阴离子是氧气在细胞新陈代谢中产生的最终降解物，在细胞和组织内积累的浓度达到一定水平时，可导致疾病的发生，尤其是高胆固醇血症，动脉硬化症，糖尿病。这一化合物好象参与血管功能紊乱的信息链。现在，医学界一致承认，由机体自然产生的自由基导致了细胞的衰老和变质。在巴黎国家高等学院（Ecole Nationale Superieure de Paris）的电化学和分析化学试验室，贝迪维博士（Dr Bedioui）在一项大学间联合研究计划的框架之内，领导着一个研究小组，正在研制一种过氧化阴离子电化学微型探测器。这也是一种生物传感器，因为需要探测的阴离子与固定在下层传感器上的特异酶会产生生化反应：过氧化物歧变位酶（SOD）（Superoxiyde dismustase）。酶通过催化氧化还原反应，导致形成含氧水，对电极产生氧化作用。目前所进行的各种研究都是要寻找固定酶的合适的基底，并保持适当的环境，使酶具有最佳的生物功能（理想的是在生理pH当中）。作到这一点的困难是，目标阴离子的活性极大，而且其寿命不超过50毫秒。目前，将电聚合吡咯体上的酶固定在传感器上的方法效果最佳。

摘自 法国科技新闻处