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生物传感器的特性与目前面临困境

2014-03-26 sensor 18873

在我们的印像中提到生物传感器(Biosensor),即是尖端科技的代表,与此生物传感器相互连结的名词有微机电、纳米、生物芯片等。国家每年有大量的研究经费投入此研究领域,也量产出许多SCI或是国内期刊论文。但是残酷的事实就是如此,目前能够实用且商品化的生物传感器只有血糖计,也有可能在数年之内,也仍然只有血糖计此商业化医疗器材。从事研究的硕博班研究生,毕业后在产业界几乎无就业市场。在物理传感器的领域,每年不断有新的论文发表与新的产品应用于产业界。化学传感器起步晚,但也已经有可观的成果,尤其在环境监测之应用也逐年扩大规模。但是生物传感器却是看不到具体可用的产品。此原因部份来自生物传感器的特性,但是根本原因来自生物传感研究人员之心态。

传感器的原文是Sensor,在不同学门、不同产业各有其定义。有些学门其传感器代表传感元件(Sensing element),其定义即为一种元件,对于量测的对象有所反应。如果此元件本身为物理性材料,例如金属热偶线或应变规(Strain gauge),其反应也为物理性之电学,力学,光学或声学等反应,此种元件称为物理元件。如果此元件本身为化学性材料,例如电解液或是试剂,与待测对象产生反应,其反应可以为物理性(电、光、质量、热量)或是其他化学物质之产生。这种元件为化学元件。生物性的元件本身即是生物,可为器官或组织的一部份,可以为微生物之真菌与细菌,可以为细胞,也可以为抗体,或DNA片断,这些生物元件与待测对象产生反应,其反应可能是产生化学物质,也可以是物理量中电,光,热与质量之变化。

传感器在一些学术领域则是代表完整的仪器设备,因此由其量测对象有了特定的名词,例如温度计,光量计与压力表等。以其构造组成,可通称为传感系统(Sensing system),此系统又可分成数个子系统:

1.传感元件

2.信号处理(Signal conditioning)

3.信号加工(Signal processing)

4.信号表现(Signal presentation)

信号处理此子系统即是针对传感元件产生之反应加以处理,例如将电阻信号以惠斯登电桥调整为电压输出。微小的电压可加以放大,不同的频率可加以过滤等。依工业标准,将信号处理成电压,电流或频率。

信号加工通常用以将信号自类比转成数位。数位信号则可进行运算。以校正公式计算其量测信号与量测值之关係。计算完毕之数位信号可以直接传输,也可以转换成电压或电流输出。

信号表现即是将传感之反应值以人类所能辨识之型式输出。可以为仪表上指针变化,可以为LCD数字表现,也可以以电脑屏幕输出。

对物理传感器而言,上述传感系统为最基本的组成。以热偶线温度计为例,双金属热偶线为传感元件。此元件对量测温度之反应为微伏电压输出。因此在信号处理部份为放大器,将微伏电压放大1000倍。在信号加工部份为A/D与D/A转换器与内建计算程式。信号表现部份则依传感目的可以採用仪表或LCD显示。

典型的化学传感器以pH计为例。传感元件为作用电极与参考电极之电解液。量测溶液之氢离子与各电解液产生电动势,两个电极之电位差即是伏特电压,其量测与处理与上述热电偶双金属线十分接近。另一种溶氧计其传感元件为以化学薄膜包覆之电解液,待测溶液中氧分子透过外膜与电解液产生电化学反应,反应物为电流。电流的量测与处理可引用物理传感系统。

目前实用的血糖计其传感元件为葡萄糖酶。此元件与血液中血糖可产生各种不同的反应。如果葡萄糖酶与血液中糖份其反应物若是液体中溶氧量的变化,此溶氧变化值即可由原先之溶氧计加以量测得到。因此对此种血糖计而言,以传感系统的概念,本身即具有两种传感元件:葡萄糖酶与溶氧电解液。这种传感器也被称为间接量测。

所有的生物传感器都依循着相同的概念。以一生物传感元件与其量测对象产生反应。反应可为化学性或是物理性,而依其反应性质再连接化学传感器或是物理传感器成为完整的传感系统。由此可知生物传感器的基础是化学传感与物理传感。化学传感器的基础又是建立在物理传感。

由此可知,从事生物传感器之研究开发,一定要从物理传感开始。传感基础学理如果未曾建立,再新潮的生物传感即如同沙滩筑城堡,似乎壮观好看,但是稍有外力即倒地不起。不幸地,中国许多从事生物传感器研发的研究人员,夹杂着自傲与自卑,不愿意自基础开始,更不暸解传感系统之本质,因此也造成研究生物传感器能够产生许多的论文,但是却未能开发能用的传感器。自傲是这些研究人员自称尖端卓越,尤其是将生物传感器与生物芯片,纳米,微机电等连结,其傲气更是逼人。自卑的心态是来自研究内容的无用,无法开发实用的传感器。只能停在实验室阶段。因此在计划研提与结桉报告时,这些研究人员最怕被询问为何年复一年的消耗经费,但是就是无法有可用的成品。

由于物理传感是工业的基础,因此学术界对于传感已建立一套完整的量测理论,例如:

1.区分准确性与精密性,而且以平均值与标准差表示。

2.建立标准物质与标准环境的基本概念。因此连带可定义误差值。误差为多次量测之平均值与标准值之差异值。

3.标准物质与标准环境为可追涉性,而且建立长度,质量,时间,温度,电量,莫耳,照度等七大基准量。由这些基准量再建立各级标准量的准确度。

4.建立不确定度的观念。传感器的性能可引入并结合统计学变异性之概念。量测之结果不再是绝对正确,而是有相对的误差区间。

5.引入模式设计概念。对于各子系统之性能加以量化,用以评估组合完成后传感系统的准确性与不确定度。以此为传感器开发的第一步。因此大幅度减少尝试方法所浪费的时间。

物理传感另一个基本优势是其单一性。在进行力学量测时,热环境,光环境与电环境相对干扰少,而且这种外在环境之干扰可以量化,可以以硬体改善或软体校正方式加以改善。

由于物理传感已建立标准环境或标准物质。在各标准环境下,传感器之读出值与标准值可建立校正方程式。加上统计学迴归技术之进步,校正公式已走向非线性型式。使得量测值经由校正公式计算之后,性能更加准确。

化学传感器受到物理传感器之发展影响,近年来也有许多进展。在传感元件部份,许多材料已研发完成。这些材料有更好的单一选择性与对环境的抵抗能力。各种选择膜,元件与信号处理子系统之各种连结方式也都有显着改善。以光谱原理为基础之光学传感器更能结合原来物理学之光学原理。以电压,电流量测为基础之电化学也引入新近发展的电学原理。建立化学性标准物质已被化学传感研究者普遍接受,也逐渐走向标准化与国际化。化学传感不确定之撰写被承认是化学传感之基本要求。化学传感器研发中目前最大的限制条件是量测对象的多重成份与其待测对象其分佈的非均匀性。因此化学传感中样本之预处理为另一个探讨主题。

化学传感信号与原量测对象之关係,其校正方程式之建立比物理传感更加複杂。也因在学术界衍生一门学术领域化学计量学(Chemometrics),专门处理这些校正方程式的问题。

在21世纪的前10年,化学传感已蓬勃发展。而生物传感器似乎无二十世纪之光辉。在欧美学术界,生物传感已被收纳至化学传感的一部份。这种收纳有其必然性。生物传感元件与其量测对象其反应信号无论是化学性或是物理性,都必须藉由化学传感与物理传感所处理。生物传感器的研究与化学传感,物理传感加以结合,其发展层次为之提高。尤其近年来引进数学与物理模式以结合生物元件特性进行”模式设计”。数学化的生物传感器设计成为一门新学问,典型的教科书例如”Mathematical Modelling Biosensors”。

 

在中国,生物传感器仍然红过一遍天。尤其生物传感器连结微机电,连结纳米,连结生物芯片,几乎独占生医检测之研究内容。事实上生医传感应该是包括物理,化学与生物传感。不幸地中国的生医传感研究竟被生物芯片与生物传感器所霸佔。中国生物传感器之研究自成一个门户,脱离真正的传感领域。许多生物传感器之研究,并不是系统性之研发,而只是製作生物性的传感元件。只要其製作的元件能够对其量测对象产生反应即可,这些反应可能是电学信号或是光学变化值。另外再将其量测对象与生化仪器如HPLC、可见光/紫外光光度计或是质谱仪等进行量测。以仪器之读出值对应原来生物传感元件之反应值进行比对,认定其一定为线性关係。而以线性迴归之决定係数(R2)为判别标准。这种校正公式之判别方式是1980年代统计水准。这种研究方法虽然只是片断不完整的研究,在现今仍然可发表于一些期刊,而且这些期刊出版速度极快。在SCI论文以数目挂帅之下,这种论文大批大批的刊出,但是其研究方式已脱离传感器与量测系统之本质要求。

以研究方法而言,这些研究过度简化,与实际现况相距太大。例如在一篇猪肉抗生素残馀量的传感研究。内容则是以电学伏安法直接量测猪血血清中抗生素浓度。这种研究原先的对象是猪肉,实际量测对象是猪血血清,两种对象物就其结构成份与抗生素分佈均匀性都是相差极大。但是研究人员习惯完成血清检测即夸称可处理複杂的生物体。第二个严重问题在于建立校正公式之样本与性能预测之样本并未独立。因此生物元件的预测能力无法证实。

中国的生物传感元件研究与国际性传感体系脱节,对于标准物质、校正公式、量测不确定度等传感性能重要因子均未认识。生物元件本身为生物,以生物为传感元件,其本身限制条件如下:

1.生物元件的使用寿命与保存方式。

2.生物元件与信号处理元件如何连结?

3.生物性标准物质如何製作?

4.如何量产与品管。

5.使用时间/贮存时间的界定。

这些问题如果无法解决,那麽中国学术界对于生物传感器之研究则无法达到系统性与实用性之结果,只有持续製造论文或申请专利而无可用之成果。以第3点而言,血糖计得以商业化而且可为糖尿病者信任与使用,其中一项原因就是可以藉由血浆製作标准试剂。以此标准试剂定期检定血糖计的性能。

生物传感器之迷你化与微小化又是一波热潮,结合微机电或纳米,更加添生物传感器的高级性。但是传感的基本问题如果未解决,这些微小,迷你的生物传感器仍然无法离开实验室。如同故宫博物院收藏的一粒米,可以在米上刻出一部心经。精巧是精巧,但是除了精巧,并无可用之处。中国近二十年来,无数经费换来的生物传感器论文即如同故宫博物院展出的几粒米,只能作为展示之用。

在量产与品管要求条件下,生物传感元件必须面对此问题。以双金属热偶线为例,工厂可以製造一万公尺的金属线,而以六倍标准差进行品管。以细胞为传感元件的生物传感器如何维持一定数量(或一定浓度),而且可以具有相同活性。製作之元件如何维持不生长,不死亡之安定状态。因此在试验室製作一两只微生物传感元件发表论文十分容易,要成为可用之传感器,就要面对一系列的问题。

将数个以上的生物传感元件再製成生物芯片,仍然无法解决以下问题:

1.芯片是一次性使用,只能定性分析,价格昂贵。

2.固定效果不好,重现性差。

3.操作繁琐,灵敏性不高。

4.不同厂家的产品未规格化。

由数十年的研究教训,过去的生物传感元件发展历程偏离了学理基础。在一味求新求变、一味要求开发微小化、要求多功能化的生物元件。而且将生医传感完全定位于生物传感器之研发。然而忽略了医疗仪器的本质:准确,安全与标准化,更忽略生物元件要结合信号处理元件才能实用。

捨本逐末的研发历程中,着重新元件、着重微型化。而对于传感理论的基础学门电学与统计学反而忽视而不知,更未能进行信号处理与校正工作。这就是至今看不到可用生物传感器之主因。由生物传感器的历史教训:1. 科技的过度分工,基本学科反而不重视。2. 追求新潮而忽略基础。可以反省如何培养二十一世纪传感器研发人才。

自2000至2010年,代表二十一世纪的前十年。生物传感器的发展分成两支。一是自基础学门开始,又能结合数学与物理,将生物传感器之研发纳入传感系统之学门。另一支是退缩于学术界的小圈圈。中国生物传感器之研发因而面对窘境。未来的十年能否脱胎换骨,关键即在研究人员能否自过去得到经验,得到教训。学术界也必须自省:1. 如何从事生物传感之研究,2. 如何培养生物传感研究人才。(中兴大学 生物系统工程研究室 陈加忠)