圖片：Tom Cerniglio/橡樹嶺國家實驗室 生物活性感測器，或稱“晶片上的生物”，可能在環境監測和醫療診斷中具有重要應用。晶片（在背景顯示器上放大可見）由其發明者，橡樹嶺國家實驗室的 Mike Simpson 拿著。 |
在醫學中，資訊拯救生命；無知則會喪失生命。一位事故受害者被送到急診室，不省人事，正在流血，脈搏不規則。他需要輸血，但需要什麼血型？他是否感染了 HIV？他的心律失常是心臟病發作的跡象，還是他只是今天早上忘記服藥了？外科醫生需要快速得到答案，但目前用於確定血型 Rh 因子、HIV 病毒、心臟病發作的化學特徵以及常見心臟藥物濃度的檢測方法都很慢——有時慢得會危及生命。
問題在於，這些生物訊號雖然重要，但也極其微弱。收集足夠的指示性分子以產生可察覺的標記需要時間。理論上，與溶液中這些分子相調諧的電子微電路可能比傳統檢測方法更靈敏、更快速。然而，在實踐中，將微晶片和液體混合一直很困難。自 1970 年代以來，科學家們嘗試了數十種生物感測器設計，以尋找一種既廉價又靈活，足以用於病毒和藥物、蛋白質和酶的感測器。已上市的生物感測器可以進行簡單的測量，例如糖尿病患者血液中的糖濃度，但這些設計很難擴充套件。最近幾個月公佈的兩項設計可能會提供更通用的解決方案。
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一種感測器，被田納西州橡樹嶺橡樹嶺國家實驗室的發明者稱為“晶片上的生物”，由一塊塗有生物發光細菌的微型光敏計算機晶片組成。當細菌遇到某些化學物質時，它們會發光，產生晶片可以處理或放大的電訊號。到目前為止，研究人員已經使用一種名為熒光假單胞菌 HK44 的基因工程細菌製造了一種生物晶片，該晶片對萘（一種常見的石油汙染物）極其敏感。
萘生物感測器可能對監測危險廢物場所很有用。但同樣的原理可以擴充套件到生產廉價（低於 1 美元）的一次性晶片，這將“極大地提高檢測環境中各種化學制劑的能力，例如化學戰劑或其他有毒物質以及環境雌激素等可能對生命系統產生有害影響的物質，”田納西大學環境生物技術中心主任 Gary Sayler 說。當然，這種生物晶片有侷限性，因為它們是活的。細菌需要食物，它們會死亡或變異。因此，生物晶片可能帶有（字面意義上的）有效期。此外，使細菌發光非常棘手，以至於這種設計可能不適用於許多醫療用途。
一種更靈活的設計可能很快就能滿足醫療需求。經過十年的工作，一群澳大利亞科學家最終生產出一種穩定的生物電開關，可以檢測到微量的抗體、病毒、激素、藥物甚至 DNA 序列。由澳大利亞查茨伍德分子工程與技術合作研究中心的 Bruce A. Cornell 領導的團隊在 6 月 5 日出版的《自然》雜誌上報告了他們的成功。
與生物晶片不同，康奈爾稱之為 ICS 生物感測器的裝置本身並不使用生命。相反，它在金電極頂部鋪設了一層人工細胞膜。該膜的功能類似於一堵有許多門的牆。每個門都由一個分子控制，該分子像一些懷恨在心的門衛一樣，當遇到特定的目標分子時，就會關閉通道。為了檢測地高辛（一種心臟藥物），康奈爾在門上附著了與該藥物結合的化合物。當藥物存在時，門會關閉，電流從膜的一側流向另一側的速度減慢，電極會記錄到阻抗的變化。重要的是，這種變化與樣品中藥物的量成正比。
康奈爾認為，他們小組的設計使得透過簡單地切換門衛分子，就可以輕鬆建立各種非常靈敏且穩定的生物感測器。到目前為止，他們已經制造出可以檢測病毒、細菌、藥物、蛋白質、DNA 序列以及醫學上重要的礦物質（如鉀和鈣）的晶片。康奈爾的測試表明，這些感測器可以準確測量血液、血清和尿液樣本中目標化合物的含量。這些生物感測器在很寬的溫度範圍內似乎保持穩定。英格蘭克蘭菲爾德大學生物科學與技術研究所所長 Anthony P. F. Turner 說，這很重要，因為“穩定性是許多應用中的一個主要技術問題。”
圖片：R. Pace/P. Cambell/AMBRI
分子景觀描繪了 ICS 生物感測器的工作原理。感興趣的化合物（綠色球狀物）與抗原（橙色“臂”）連線，抗原又與底層膜中的位點連線，從而中斷電流的流動，從而指示化合物的存在。 |
成本也是如此。目前的親和力感測器成本為 10 萬美元或更高。康奈爾聲稱，ICS 生物感測器的成本應該便宜 10,000 倍左右。事實上，他說，製造過程似乎很簡單：“這個過程是取一個鍍金電極，然後將其浸入幾種溶液中。使其工作的所有化學層都會簡單地自組裝。”康奈爾估計，一旦投入批次生產，這些晶片的成本應該只有幾美元。
Pacific Dunlop 的子公司 AMBRI 正在將該裝置商業化，並預計在 2000 年左右推出首批相關產品上市。早期應用將包括心臟病發作、濫用藥物的床旁測試，甚至可能包括一些常見的基因突變。除此之外，康奈爾說，應該有可能調整 ICS 生物感測器的設計，為幾乎所有重要的生物分子建立靈敏的檢測器。
Turner 同意“康奈爾的設計，如果能在實踐中得到驗證，將代表著向前邁進了一步。它有望提高非常靈敏的配置的穩定性。樂觀地說，我相信我們正處於一場微型感測器革命的邊緣，其規模、範圍和影響可能與微處理器革命相媲美。” 特納熱情地補充說：“微型分析裝置可能會在未來一二十年內普及我們的生活！”
然後，醫務人員可能會從我們假設的患者身上取一滴血，然後滴入生物感測器。在幾秒鐘內，該裝置顯示患者為 Rh 陽性、HIV 陰性，並且不是心臟病發作，而是地高辛過量。這樣的資訊可以為這個人節省一劑非常昂貴的心臟病發作藥物。更不用說他的生命了。