危重护理分析仪——利用荧光化学传感器进行血液分析

夜游神

　　James K. Tusa & Huarui He*

  　　2005年3月3日收稿，2005年4月22日通过审核
  　　2005年5月13日，首次作为预告文章在网上发布
  　　DOI: 10.1039/b503172a
  

  　　James K.Tusa 于1980年获得芝加哥大学理化博士学位，于1988年获得洛杉矶加利福尼亚大学工商管理硕士学位。他曾任Osmetech公司副总裁，在前AVL公司工作长达10年 ，现任高级顾问。在此之前，他曾在位于美国明尼苏达州首府圣保罗的3M公司总部任职项目经理。以及在两家刚起步的涉及医疗器械和诊断的公司：CDI和Gen-Probe任职系统管理员。他的研究方向是荧光和光谱学。
  

  　　Huarui He 于1983年获得中国天津南开大学化学分析学理学学士学位。1992年，于奥地利取得格拉茨大学有机化学博士学位。毕业后，被AVL公司聘为首席药剂师。AVL公司在2000年被罗氏诊断公司收购，之后于2003年由Osmetech 公司收购。他的研究方向是荧光探测器和光纤生化感应器的综合体。
  　　本文总结了在测量全血危重护理分析物时，荧光传感器在体外诊断系统中的应用。我们探讨了在该领域使用荧光指示剂的荧光化学传感技术近来取得的进步。本文涉及到了主要材料、构效关系、以及低成本在便携系统中实现高效用的设计理念。在该应用范围内，与当前传统的电化学传感技术相比，光学传感技术突显了与其相当甚至更好的精确性和稳定性。
  

　　介绍

  　　光学传感器中，光介质的改变即是传导过程，这一概念已被人们熟知数十年了。20世纪60年代，人们发明了这种使用光纤的传感器并将其用于血氧的测量中。20年后这种传感器出现在了葡萄糖比色条和荧光血气监测的电极上。而且，由于近年来通讯工业和光学开关部件，以及高质量的光纤和光学波导技术的发展，促进了光学传感器或者说“荧光电极”的快速发展。
  　　光学传感最初仅限于有内在吸光度或荧光度的物质中，但随着某些关键指示剂化合物和耦合器连接到接收器中的发现，使得该技术延伸到许多参数的测量中；例如血气（氧气，二氧化碳，和PH）；近期更是延伸到了电解质和代谢物；例如葡萄糖，乳酸盐，尿素和肌酸酐。在许多情况下，使用荧光进行测量；这也是本文重点讲解的内容。荧光过程如图1所示。特定化合物可能会被刺激到一个具有较高电子能量的水平，当再回到基态时，它们会释放出光子，这个过程被叫做发光。但是当光用于提供激发能量（而不是用于化学或者电学）时，它被叫做荧光。其它形式的发光包括化学发光，生物发光，电化学发光和磷光等。
  

  

　　图1光激发染色分子而释放光和荧光

  　　合适的分子设计和对分子环境的控制，发光过程可能由于某血液分析物的存在而被调整。例如，当氧存在，某些有长时间激发态的指示剂分子，其荧光性会根据样品中氧气含量的多少而停止或减少。因而提供了一种检测的方法（见图2）。
  　　这种情况下，通过放置使用期长的荧光团到高氧浓度的分子环境中，即使很低的氧分压也会改变传感器而被测量，比如：聚二甲硅氧烷。对于PH的测定，一个荧光PH指示剂染色固定于某一种亲水的铸模中，例如改良的聚氨酯——染料与氢离子可逆结合，荧光强度的变化与pH成比例。对于二氧化碳的测定，该系统放置于一透气薄膜后，通过该薄膜，二氧化碳扩散，并会引起此处PH值的降低。
  　　荧光电极区别于电极的一个主要特征是它不需要参比电极，给可靠、经济的一次性应用提供了稳定操作和廉价制造的优势。而且，荧光极不消耗直接测量的任何分析物的分子，例如，氧分子。（间接光纤生物传感器除外，例如：外加生化酶的光学传感器，其可以测量酶反应物的浓度变化，比如氧气，或例如过氧化氢的反应物）。因此，没有参比电极，以及可逆的非消耗性操作，相对于电化学传感器而言，一般认为荧光极在血液中更加稳定，这一点可以通过它们在连续或接近连续的血气监测中，极少出现重新定标的性能得以证实。荧光电极有两个弱点：他们通常需要比电化学更加复杂和昂贵的测量仪器；为了良好生产和操作的需要，要求高额的研发经费用于合成和固定染色系统。
  　　荧光电极中两个主要的构型已经发展到医用领域。第一种类型将生物传感器放置在一个光纤的顶部，这种类型已用于体内诊断，例如：将其在人体的桡动脉内滞留几日进行血气的系统监测。对于体外诊断应用包括在此描述的 OPTI 系统，化学传感器放置在一个平直的光学透明支座上，并称为平面荧光电极。
  

  

　　图2 由于氧与染料分子结合导致的荧光减弱

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