图片：Tom Cerniglio/橡树岭国家实验室 生物活性传感器，或称“芯片上的生物”，可能在环境监测和医疗诊断中具有重要应用。芯片（在背景显示器上放大可见）由其发明者，橡树岭国家实验室的 Mike Simpson 拿着。 |
在医学中，信息拯救生命；无知则会丧失生命。一位事故受害者被送到急诊室，不省人事，正在流血，脉搏不规则。他需要输血，但需要什么血型？他是否感染了 HIV？他的心律失常是心脏病发作的迹象，还是他只是今天早上忘记服药了？外科医生需要快速得到答案，但目前用于确定血型 Rh 因子、HIV 病毒、心脏病发作的化学特征以及常见心脏药物浓度的检测方法都很慢——有时慢得会危及生命。
问题在于，这些生物信号虽然重要，但也极其微弱。收集足够的指示性分子以产生可察觉的标记需要时间。理论上，与溶液中这些分子相调谐的电子微电路可能比传统检测方法更灵敏、更快速。然而，在实践中，将微芯片和液体混合一直很困难。自 1970 年代以来，科学家们尝试了数十种生物传感器设计，以寻找一种既廉价又灵活，足以用于病毒和药物、蛋白质和酶的传感器。已上市的生物传感器可以进行简单的测量，例如糖尿病患者血液中的糖浓度，但这些设计很难扩展。最近几个月公布的两项设计可能会提供更通用的解决方案。
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一种传感器，被田纳西州橡树岭橡树岭国家实验室的发明者称为“芯片上的生物”，由一块涂有生物发光细菌的微型光敏计算机芯片组成。当细菌遇到某些化学物质时，它们会发光，产生芯片可以处理或放大的电信号。到目前为止，研究人员已经使用一种名为荧光假单胞菌 HK44 的基因工程细菌制造了一种生物芯片，该芯片对萘（一种常见的石油污染物）极其敏感。
萘生物传感器可能对监测危险废物场所很有用。但同样的原理可以扩展到生产廉价（低于 1 美元）的一次性芯片，这将“极大地提高检测环境中各种化学制剂的能力，例如化学战剂或其他有毒物质以及环境雌激素等可能对生命系统产生有害影响的物质，”田纳西大学环境生物技术中心主任 Gary Sayler 说。当然，这种生物芯片有局限性，因为它们是活的。细菌需要食物，它们会死亡或变异。因此，生物芯片可能带有（字面意义上的）有效期。此外，使细菌发光非常棘手，以至于这种设计可能不适用于许多医疗用途。
一种更灵活的设计可能很快就能满足医疗需求。经过十年的工作，一群澳大利亚科学家最终生产出一种稳定的生物电开关，可以检测到微量的抗体、病毒、激素、药物甚至 DNA 序列。由澳大利亚查茨伍德分子工程与技术合作研究中心的 Bruce A. Cornell 领导的团队在 6 月 5 日出版的《自然》杂志上报告了他们的成功。
与生物芯片不同，康奈尔称之为 ICS 生物传感器的设备本身并不使用生命。相反，它在金电极顶部铺设了一层人工细胞膜。该膜的功能类似于一堵有许多门的墙。每个门都由一个分子控制，该分子像一些怀恨在心的门卫一样，当遇到特定的目标分子时，就会关闭通道。为了检测地高辛（一种心脏药物），康奈尔在门上附着了与该药物结合的化合物。当药物存在时，门会关闭，电流从膜的一侧流向另一侧的速度减慢，电极会记录到阻抗的变化。重要的是，这种变化与样品中药物的量成正比。
康奈尔认为，他们小组的设计使得通过简单地切换门卫分子，就可以轻松创建各种非常灵敏且稳定的生物传感器。到目前为止，他们已经制造出可以检测病毒、细菌、药物、蛋白质、DNA 序列以及医学上重要的矿物质（如钾和钙）的芯片。康奈尔的测试表明，这些传感器可以准确测量血液、血清和尿液样本中目标化合物的含量。这些生物传感器在很宽的温度范围内似乎保持稳定。英格兰克兰菲尔德大学生物科学与技术研究所所长 Anthony P. F. Turner 说，这很重要，因为“稳定性是许多应用中的一个主要技术问题。”
图片：R. Pace/P. Cambell/AMBRI
分子景观描绘了 ICS 生物传感器的工作原理。感兴趣的化合物（绿色球状物）与抗原（橙色“臂”）连接，抗原又与底层膜中的位点连接，从而中断电流的流动，从而指示化合物的存在。 |
成本也是如此。目前的亲和力传感器成本为 10 万美元或更高。康奈尔声称，ICS 生物传感器的成本应该便宜 10,000 倍左右。事实上，他说，制造过程似乎很简单：“这个过程是取一个镀金电极，然后将其浸入几种溶液中。使其工作的所有化学层都会简单地自组装。”康奈尔估计，一旦投入批量生产，这些芯片的成本应该只有几美元。
Pacific Dunlop 的子公司 AMBRI 正在将该设备商业化，并预计在 2000 年左右推出首批相关产品上市。早期应用将包括心脏病发作、滥用药物的床旁测试，甚至可能包括一些常见的基因突变。除此之外，康奈尔说，应该有可能调整 ICS 生物传感器的设计，为几乎所有重要的生物分子创建灵敏的检测器。
Turner 同意“康奈尔的设计，如果能在实践中得到验证，将代表着向前迈进了一步。它有望提高非常灵敏的配置的稳定性。乐观地说，我相信我们正处于一场微型传感器革命的边缘，其规模、范围和影响可能与微处理器革命相媲美。” 特纳热情地补充说：“微型分析设备可能会在未来一二十年内普及我们的生活！”
然后，医务人员可能会从我们假设的患者身上取一滴血，然后滴入生物传感器。在几秒钟内，该设备显示患者为 Rh 阳性、HIV 阴性，并且不是心脏病发作，而是地高辛过量。这样的信息可以为这个人节省一剂非常昂贵的心脏病发作药物。更不用说他的生命了。