微小的酶——或者叫抗体——从葡萄糖到杀虫剂的敏感物质的基本探测器，在塑料领域看到了它的前途。

如果生理传感器——分析溶液或体液用的微小的电或光学的探针——是个实验室工作人员，他们的耳朵会发烫：“干得慢、净弄错、看不出结果，不适应新形势，容易沾染工作空间”，是某些制造它们达20年的研究人员的评论，甚至当生理传感器已经成为对葡萄糖、钠离子和溶解氧这类物质的家用和实验室试验的主要依靠之后依然如此。在这20年中，所有方法的革命在实验室都来到又过去了，现存的传感器和积极的多才多艺的科学家与临床技术人员的助手的梦想之间至今差距仍然很大。

世界范围内数十位研究人员正用专门的聚合物改进生理传感器，其结果也许会迎来一个超速、灵敏、稳定、多功能和长效的装置的新时代。如果真是如此，对生理传感器将开辟一个新世界，一些耐用、寿命很长的产品将起环境哨兵的作用，对地下水的污染报警。另外一些能在基础研究中出色地服务，灵敏地跟踪神经递质之类的生物化学物质。或许生理传感器研究中最常见的课题是寻求改进葡萄糖传感器——易反应、寿命长和能实时跟踪糖浓度变化的传感器将是对临床实验室和工业发酵过程的恩赐，其微型化的改进，甚至可能成为植入糖尿病患者体内的血糖水平监视器。科罗拉多州立大学的化学教授，生理传感器的研究者查理斯 · R，马丁说：“对葡萄糖探测装置将会有巨大的市场需求。”

生理传感器的基本设计没多大变化。许多常规形式是由一个尖端触及酶，抗体或可与被分析物起化学作用的其它试剂的电极组成。在某些设计中试剂被封闭在半透膜中，在另一些设计中它们被吸附于电极表面。在典型的酶基系统中，酶将被分析物氧化，释放出电子，由其它已知分子作为电子转移体引渡到电极。由电信号强度指示被分析物浓度。在某些传感器中光学纤维取代了电极而信号不是电流而是酶或抗体与被分析物形成荧光络合物时发出的光。

生理传感器成功的关键是它抓牢试剂的同时暴露它所感兴趣的分子的能力——而这恰恰是许多今天的设计失败之处。一个问题是由于试剂渗漏逐渐引起灵敏度的偏差，并使致力于植入式设计的研究者气馁。还有的探针不泄露，但其灵敏度因它接受被分析物分子过于缓慢而受到损害。别的一些倒是很灵敏，却没有选择性，与不相干分子的反应和感兴趣的分子一样有效。依靠像荧光抗体与被分析物的结合这样的不可逆反应的传感器中，其试剂对持久的监测来说常常又消耗得太快了。

现在聚合物科学家通过进行包装而不是在活性试剂下工夫，正克服许多这类缺陷：聚合物薄膜与基层，及封闭试剂并控制其溶液与电极的相互作用的胶囊。研究者发现他们通过用聚合物随便修理一下就能更牢固地限制住试剂，同时加速溶液经过传感器的迁移。他们可以筛除不希望有的分子，从而使传感器更具选择性，使从试剂到电极的电流升压以提高灵敏度，甚至使试剂消耗太快的传感器使用寿命延长。摩尔泰克公司的资深学者保罗 · D · 哈利说：“聚合物技术将是今日绝大多数酶基生理传感器改进的关键。”

摩尔泰克正在采用聚合物的优点来捕获和固定传感器分子。该公司的原型取代了易于泄漏试剂的胶囊，可将传感器酶和电子转移体二者都保持在聚合物本体内。哈利解释说，起电子转移体作用的二茂铁分子以共价键结合于像聚有机硅氧烷和Poly（聚乙烯氧化物）那样的聚合物的主链上。传感器酶——葡萄糖氧化酶或胆固醇氧化酶——也被封锁在分子的点阵中，在它们与聚合物链联接之前已被与先前的分子相混合。但因塑料是疏松多孔的，要分析的溶液可渗入传感器，与酶密切接触。结果传感器使用一年后仍可工作，比带有不受限制的分子的普通葡萄糖传感器寿命异乎寻常地长。哈利认为新传感器在生物技术工业中也能找到用武之地，在那里可用来监视发酵罐中长周期内的营养水平，并可作为未来的糖尿病人可植入胰岛素补给系统的传感器元件。

科罗拉多州的马丁在同样的竞赛中紧追不舍——通过一种大为不同的途径改进葡萄糖传感器。他的原型采用普通的聚合物胶囊尖端，初看上去比摩尔泰克产品更平常，但这胶囊的薄壁——一种磺酸酯化聚合物（二甲基硅氧烷）——是如此精巧，只有40-100毫微米厚，比典型的半透膜要薄10倍，使得葡萄糖分子能比一般的葡萄糖传感器快得多地进入胶囊。它的膜太薄，不可能很脆。马丁的产品建在高度多孔的氧化铝骨架上，这氧化物渗透着传感器分子。马丁期望这种新装置实时监视葡萄糖浓度变化足够灵敏——在胰岛素自动补给系统中需要精确——虽然他认识到对应答次数“我们尚无资料可报告”。

哈利与马丁奋力追求的灵敏度和稳定性对葡萄糖传感器是决定性的质量要求。对用于神经生物学研究的传感器来说，敏锐的鉴别是关键的属性。可检出微量神经递质，如多巴胺的生理传感器打开了实验动物大脑的神经化学之窗。不幸的是按辛辛那提大学化学家威廉姆 · R · 海尼曼的看法，现行的生理传感器不仅对人们感性趣的神经递质而且对大脑组织中总是存在的吸收离子产生应答反应，得出足可乱真的信号。

海尼曼及其同事正在着手矫正这种生理传感器的迷惘现象。通过将特定的聚合物置于伽马射线中，海尼曼使其分子链发生交联，形成一种仅可接纳一定大小的其它分子的筛——可能有助于筛除讨厌的吸收离子的一种效应。通过控制不同的交联度和因此造成的网眼规格，海尼曼也能制出那种膜以广泛地区分神经递质分子大小不同的等级。

海尼曼表明交联聚合物能做出比只是被动地筛选分子更多的事。他已发现一种交联聚合物Poly（N-乙烯基吡咯烷酮），能活泼地吸引一组常见于大脑和神经系统其它部分内的儿茶酚胺类神经递质。滤除作用和活泼吸引的结合使电极区分吸收离子中的儿茶酚胺类的效果比未改进的传感器提高了2~5倍。海尼曼与生物化学家乔治 · P · 克莱施曼合作，已追踪到他的聚合物和神经递质之间对两类分子上憎水区的吸引。他认为有关知识将帮助他对聚合物结构做精微调整使其更为特效，即使是对于单个神经递质之间的识别点。“毕竟你喜欢能探索单一的结局，比如一个单独突触的发炎”，海尼曼说。植入可在真实时间内探测微量特定神经递质的探针最终可以体会到那种情景。

奥斯汀的德克萨斯大学化学家亚当 · 海勒正在探索聚合物在生理传感器中发挥作用的另一个途径：以酶到电极的有效自由电子通道作为“导线”。这导线是与科罗拉多州戈尔登太阳能研究所的一名光化学家布赖恩 · 格列格共同开发的，是Poly（乙烯基吡啶）与含锇分子联接组成的一种聚合物。聚合物长链将酶分子和电极表面连接起来，有效地稳定了锇原子电子大批穿梭来往的横桥。聚合物导线的密网使酶分子流向电极的大量电流更密集。海勒说，结果有分子化导线的葡萄糖生理传感器比同样大小的常规传感器可产生大得多的电流。这一点开辟了以大批分析元件组装成微型装置的可能性。事实上海勒已经用这种导线技术创造出直径为一根头发的十分之一的葡萄糖生理传感器。微型化是植入系统要求的关键之一。他正在聚合物导线传感器的基础上为住院的“脆弱”的糖尿病人（这些人的胰岛素水平变化很大）开发一种植入式葡萄糖监视和胰岛素分配系统。现在他与其小组在德国和美国对他的传感器进行动物实验，他预测临床胰岛素装置的商业化“也许在5年之内到来。”

少数独具慧眼看到生物医学之外的应用的生理传感器研究者之一是图夫茨大学化学教授戴维 · R · 瓦尔特，他正忙于试验改进通过释放带荧光标志并可与毒物结合的抗体测量环境中毒性有机化合物的传感器，其寿命必然是有限的——到抗体用完为止——但如果带标记抗体能被封入聚合物保护胶囊并以稳定的细流缓慢释放其寿命可以延长。

瓦尔特的传感器具有乙烯聚合物乙烯基醋酸纤维素制的可控制释放速度的抗体胶囊。随着抗体缓慢地渗入反应室，它与从一个相邻胶囊渗入该室的带染色标记的抗原分子相遇，与染色抗体络合发出荧光。随着未加标志的靶分子由外部进入该室并在抗体上找到结合位置，荧光水平下降，这取决于探针周围靶分子浓度。

瓦尔特描画了他的聚合物传感器在环境监测中能起的作用：“你可以用它测量农田残留的杀虫剂浓度，或在已清除和封闭的废料场证实没有一种毒性化学物质沥汁进入了地下水。”在他看来那种应用远不止是一线光明。他近期开发的测量杀虫剂“莠去津”的以聚合物为基础的生理传感器准备在6~8个月内用于田野追踪。

当然从田野追踪到打入市场路还很长，对所有的新传感器来说，材料与生产成本还得降低，植入式传感器面临着任何医疗装置会面对的额外障碍。瓦尔特有信心地指出，聚合物衬垫的生理传感器加年代末将在工业过程监视中造成一场“真正的冲击”。海勒以更富于幻想的方式预言植入式新型传感器与微处理机和药物输送系统联用“将给治病方法创造真正的新天地”。

[Science，1991年9月6日]