[科普中国]-免疫传感器

生物传感器发展很快，已逐渐应用于食品、工业、环境检测和临床医学等领域。免疫传感器作为一种新兴的生物传感器中，以其鉴定物质的高度特异性、敏感性和稳定性受到青睐 ，它的问世使传统的免疫分析发生了很大的变化。它将传统的免疫测试和生物传感技术融为一体，集两者的诸多优点于一身，不仅减少了分析时间、提高了灵敏度和测试精度，也使得测定过程变得简单，易于实现自动化，有着广阔的应用前景。随着生物工程技术的发展 ，已经研制出能对各种微生物、细胞表面抗原或各种蛋白质抗原分泌单克隆抗体的融合细胞 ，由这些细胞产生的单克隆抗体，已广泛进入生物学及其他领域。随着杂交瘤(hybrido2ma)技术的发展，使得各种化合物都可能产生相应的抗体。这将会使免疫测试有更加广泛的应用前景。

原理一旦有病原体或者其他异种蛋白(抗原)侵入某种动物体内，体内即可产生能识别这些异物并把它们从体内排除的抗体。抗原和抗体结合即发生免疫反应，其特异性很高，即是具有极高的选择性和灵敏度。免疫传感器就是利用抗原(抗体)对抗体(抗原)的识别功能而研制成的生物传感器。

构造使用光敏元件作为信息转换器，利用光学原理工作的光学免疫传感器，是免疫传感器家族的一个重要成员。光敏器件有光纤、波导材料、光栅等。生物识别分子被固化在传感器，通过与光学器件的光的相互作用，产生变化的光学信号，通过检测变化的光学信号来检测免疫反应。下面将介绍把免疫测定和光学测量有机结合起来的几种有代表性的传感器的构造。

夹层光纤传感器

将末端涂有试剂(如抗原)的光纤浸入溶液中来检测溶液里是否存在与试剂互补的物质(抗体) 。若溶液中的确存在抗体，就会和抗原结合。将结合了抗体的光纤浸入含有被荧光标记的抗原溶液里，带有荧光指示剂的抗原会和抗体结合。在光纤的另一端加上光源 ,将返回一个荧光信号。待测试抗体浓度越高，就有更多的荧光标记抗原与其结合，返回的荧光信号越强。

位移光纤传感器

光纤末端涂有试剂(如抗原)，带有荧光标记的试剂(抗体)被密封在有透析能力的薄膜里。抗体与透析膜内被标记的抗体互补 ,因此抗原和抗体有结合的倾向。将这套装置浸入样本溶液中，若溶液里也含有与抗原互补的抗体 ,该抗体就有与带有荧光标记的抗体竞争、与光纤末端抗原结合的倾向。此时在光纤的另一端加上光源，将返回一个荧光信号。样本溶液里待测抗体的浓度越高 ，返回的荧光信号就会越弱。所以 ，待测抗体的浓度和返回的荧光信号强度成反比。

表面等离子体共振( SPR)传感器

该传感器包括一个镀有薄金属镀层的的棱镜，其中金属层成为棱镜和绝缘体之间的界面。一束横向的磁化单向偏振光入射到棱镜的一个面上，被金属层反射，到达棱镜的另一面。反射光束的强度可以测量出来，用来计算入射光束的入射角θ的大小。反射光的强度在某一个特殊的入射角度 Φsp 突然下降 ，就在这个角度，入射光的能量与由金属 -绝缘体交接面激励产生的表面等离子共振(或“SPR” )相匹配。将一层薄膜(如生物膜)沉淀在金属层上，绝缘物质的折射系数会发生改变。折射系数依赖于绝缘物质和沉淀膜的厚度和密度的大小。测试陷波角的值，沉淀膜的厚度和密度就可以推导出来。

光栅生物传感器

一束入射激光束进入平面波导的一端。平面波导包括一层非常薄的高折射率膜(如生物膜)以及玻璃载体。薄膜表面上放置一光栅，该光栅使激光以一定的出射角射出平面波导，出射角的大小与激光导向模式的有效折射率有关。在光栅上涂一层试剂，将盛有样本溶液的容器置于光栅上，如果样本中的物质与试剂层发生反应，有效折射系数就会改变 ,从而改变出射角。出射光束角度的变化与试剂和待测物质反应生成的薄膜厚度有关。动槽。如果样本溶液内含有与该抗原互补的抗体，它们就会结合，槽内膜的厚度就会增加。利用光谱仪测试膜的厚度是否增加 ，可以检测待测物质是否存在。

应用检测食品中的毒素和细菌

食品在产前、运输、加工和销售等环节都有可能被污染，而且毒性大，很多有致畸、致癌的作用。为了防止毒素超标的食品和饲料进入食物链 ，加强对其的检测非常重要。伏马菌素(Fumonisins)是一种真菌毒素，和人畜的多种疾病有关。其中 Fumonisins B1 ( FB1 )是天然污染

玉米样品、饲料的主要伏马菌素组分。Wayne 等人用等离子体共振免疫传感器来检测玉米抽提物中的 FB1浓度。抗 FB1 的多克隆抗体被吸附到一结合在表面等离子体共振免疫传感器装置中的玻璃的棱镜的金膜上，二极管发射的光束通过棱镜聚焦到金膜表面以激发 SPR。当加入样品 ,反射光灵敏地改变，改变的角度与 FB1 的浓度成比例。葡萄球菌肠毒素(SEB)是人类经常发生食物中毒的主要原因 ,是食品污染的病原体。缓冲液、人血清、火腿中的 SEB 可以通过一轻便的光纤免疫传感器来测定。亲和纯化的兔抗 SEB(一抗)捕获抗体共价结合到光纤上以结合 SEB。然后用结合上 Cy5 标记的亲和纯化羊抗 SEB (二抗)检测抗体，从而在光纤表面形成荧光复合物。检测荧光强度可以知道 SEB 的浓度。其在火腿抽提物中的检测灵敏度为 5 ng/ ml ，奶油制品中 SEB 也可以由免疫传感器来检测。其检测下限为 5 ng/ g.还可以用光纤免疫传感器检测黄曲霉毒素、肉毒毒素、金黄色葡萄球菌等。

检测DNA 光纤

免疫传感器可以用来进行DNA分子的识别、测序。其原理是将有反应性的一单股核苷酸(长度在18～50 个碱基之间)固定在某种支持物(传感器)上作为探针，可以在复杂环境成份下特异地识别出某一靶子底物 ，并通过换能装置转换成可以检测到的光电信号。检测的方法有荧光型和表面等离子体共振(SPR)型传感器。荧光检测法是在 DNA 探针中或待测靶基因中标上荧光标记物 ，也可在 DNA 杂交后加入荧光标记物。通过测定荧光标记嵌入 DNA 双螺旋间所导致的荧光信号的变化，检测 DNA. Krull 等以共价固定在石英表面的DNA探针与溶液中其靶基因杂交45min后，与荧光嵌入染料溴乙啶( EB)反应 ，根据荧光强度与溶中互补 DNA 的量的正比关系进行分析，可检测出86 μg/L 的 DNA. Bier 等以花青二聚体 YOYO 及Picogreen作为与 DNA 双链紧密亲和的荧光嵌入剂，由于与DNA杂交体间的双嵌入作用，使得完全配对、单碱基错配及两个以上不匹配所产生的荧光信号有明显不同，从而能够明显区分不同DNA序列。还可以用表面等离子体共振传感器检测 DNA 序列 ,Bier 等做了这样的工作。

检测残留的农药

随着生活水平的提高，对粮食、肉制品残留农药限量的要求也越来越高。传统的薄层层析法和气相色相谱已过时。EL ISE方法虽然简单但费时。免疫传感器灵敏度高、检测时间短，正好显示了它的优点。磺胺作为兽医用药可进入动物食品 ，对人体健康不利。Ase等人用表面等离子体共振免疫传感器快速测定了脱脂牛奶和生牛奶中的硫胺二甲嘧啶残留物。检测精度低于 1μg/ ml 。多氯化联苯(Polychlorinated Biphenyls PCBs)是一种杀虫剂 ，在水、食物、牛奶中可检测到，过量会导致脑纤免疫传感器对其测定，检测下限为 10 mg/ L。光纤免疫传感器还用在了硫磷的检测中，且灵敏度极高，分别达到 1 nmol/ L、013μg/ L。

毒品和滥用药物的检测

在吸毒人员的戒毒治疗和以后的监测中对毒品的检测很重要 ，以及对麻醉和精神药物的检测 ，大都通过对生物体液如血液、尿液、甚至头发中的代谢物进行检测。由于药物含量及样本量常常很少 ，所以要求检测仪器有很高的灵敏度、精度和可靠性。光学免疫传感器正符合这样的要求。常用的有酶免疫光学测试和荧光免疫光学测试。利用荧光免疫分析的商品试剂盒已经广泛用于吗啡和可卡因的检测。此外 ，光学免疫传感器还用在了其他的一些领域 ，如在法医学中鉴定微量血痕种属使用了荧光免疫分析法 ，可以测量二十万倍稀释的血痕样本在环境监测方面光学免疫传感器也用的越来越多。

优势提高了灵敏度，降低了检测下限；减少分析时间；简化分析过程；设备小型化；测量过程自动化。光学免疫传感器可以高灵敏地检测免疫反应，并进行精细免疫化学分析。其中发展最迅速的是光纤免疫传感器 ，它除了灵敏度高、尺寸小、制作使用方便以外，还在于检测中不受外界电磁场的干扰。光纤免疫传感器有着非常好的应用前景。根据标记与否 ，光学免疫传感器可分为无标记和有标记两种类型。前者有表面等离子体共振(SPR)免疫传感器、光栅生物传感器、法布里 · 波罗脱生物传感器等。有标记的光学免疫传感器如夹层光纤传感器、位移光纤传感器等。有标记的光学传感器中使用的标记有放射性同位素、酶、荧光物质等。非标记的光学免疫传感器不用任何标记物，一般利用光学技术直接检测传感器表面的光线吸收、荧光、光纤散射或折射率的微小变化。非标记型比标记型光学传感器所需的测试仪器更为简单，而且没有毒副作用，适合做动物的体内测试。

并在于抗原与抗体的结合具有很高的特异性，从而减少了非特异性干扰。光学免疫传感器更具有灵敏度高、测试精度高的特点，并适合在电子干扰或磁场干扰的环境里进行实时监测。光纤免疫传感器体积小、重量轻、可作成一次性探针的形式，适合体内检测以及野外现场测量，是免疫传感器的重要发展方向。光学免疫传感器已经能够实时检测抗原抗体的反应 ,进行定量测量 ,即在抗原抗体反应的同时将反应连续记录下来，以便进行动态分析。光学免疫传感器的出现和发展正在促使免疫检测手段朝电器化、自动化、简便化和快速化方向发展。总之 ，集生物学、物理学、化学与医学为一体的光学免疫传感技术，有巨大的发展潜力，它不但能推动传统免疫传感技术的发展 ,而且将影响临床、食品卫生和环境监测等诸多领域里的实用性研究。

发展趋势主要有如下几点：

1、标记物的种类层出不穷，从酶和荧光发展成胶乳颗粒、胶体金、磁性颗粒和金属离子等；

2、向微型化、商品化方向发展，廉价的一次性传感表面大有潜力可挖；

3、酶免疫传感器、压电免疫传感器和光学免疫传感器发展最为迅速，尤其是光学免疫传感器品种繁多，目前已有几种达到了商品化，它们代表了免疫传感器向固态电子器件发展的趋势；

4、与计算机等联用，向智能型、操作自动化方向发展；

5、应用范围日渐扩大，已深入到环境监测 、食品卫生等工业和临床诊断等领域，,以后者尤为突出；

6、继续提高其灵敏度、稳定性和再生性 ,使其更简便、快速和准确。

随着分子生物学、材料学、微电子技术和光纤化学等高科技的迅速发展，免疫传感器会逐步由小规模制作转变为大规模批量生产，并在大气监测、地质勘探、通讯、军事、交通管理和汽车工业等方面起着日益广泛的作用1。

本词条内容贡献者为:

王强 - 副教授 - 西南大学