一、生物医学分析化学概述
（一）生物医学分析化学的走义及涉及学科
生物医学分析化学是指利用酶（酶促反应)、抗体、探针、配基、电极及色谱等工具特异性识别待测分子，通过观察关联的光谱学、电磁学等物理性质的变化，定性或定量分析与人类健康相关生物分子的一门交叉学科。
生物医学分析化学涉及化学、物理学、数学、生物学、医学、药学、电子科学与技术、机械工程、光学工程、生物医学工程、软件工程、计算机科学与技术、生物信息学等若干学科。以基因分型为例，需使用基于化学、生物学的体外诊断试剂盒，也需配套使用基于电子科学与技术、机械工程、光学工程、软件工程、计算机科学与技术的检测仪器，还需要利用药物基因组学或生物信息学解读数据。总之，生物医学分析化学是一门“看似简单，做好不易”的新兴交叉学科。
（二）生物医学分析化学的分类及内涵
生物医学分析化学按基本原理可分为生化分析、免疫分析、分子诊断、即时检测、质谱检测、流式分析、凝血分析、电泳及色谱分析等，其中酶、抗体、探针是生物医学分析化学的分子基础。使用更特异的识别分子以更快速、更准确及更稳定的方式识别靶点分子始终是人们追求的目标，因此生物医学分析化学始终处在不断演变、不断提高的发展过程中。
1.生化分析很多疾病都直接或间接地与酶功能缺陷或异常有关，因此酶活性或浓度的测定对体外诊断生物制品和药物开发具有重要的意义。检测血液、尿液等体液或分泌物中某些酶的活性或浓度，可反映某些组织、器官损伤的程度，从而辅助疾病的诊断。基于朗伯-比尔（Lambert-Beer)定律，使用分光光度计测定酶催化反应中的底物或产物的显色变化，可以检测酶的活性。同理，通过固定酶的用量也可以检测底物的含量。体外诊断常见的显色体系包括以下三种：辅酶脱氢酶系统、硝基苯衍生物反应系统、过氧化氢（H2O2)偶联的指示系统。因为分光光度计具有简便性，人们也常用其测定抗体抗原免疫反应液透光率（浊度）的变化，以检测蛋白质和抗体。此外，能够检测钠、钾等离子的离子选择电极也被归纳为生化分析。
2.免疫分析基因是遗传信息的携带者，蛋白质是功能执行者。免疫分析关注的核心内容是利用特异性抗体定性或定量分析抗原。免疫分析所使用抗体的亲和力、异质性、纯度等都会对免疫分析的灵敏度及准确度产生影响，因此抗体是从事体外诊断生物制品和药物研发的科研人员及生物公司所关注的重点。多克隆抗体在免疫检测中有诸多缺陷，科勒和米尔斯坦于1975年发明的杂交瘤单克隆抗体制备技术，将免疫分析带到了一个新的高度。由于工艺相对简单、成本较低，核酸适配子、塑料抗体近年也获得许多重要进展，但其实际运用大多局限于食品安全领域。目前，无论是在体外诊断领域，还是在药物发现领域，蛋白抗体仍然是主要的抗原识别分子。而且，免疫聚合酶链反应（PCR)和单分子免疫分析技术也显著提高了基于蛋白抗体的免疫分析的灵敏度。
3.分子诊断通过检测核酸，分子诊断可用于基因分型和突变识别，主要包括实时荧光定量聚合酶链反应（qPCR)、测序、基因芯片及原位杂交等方法，其中qPCR和测序是目前最常用的方法。PCR在体外模拟体内DNA复制，指数级地增加了目标的拷贝数，突破了印迹杂交的局限，是分子诊断的基础。PCR发明至今已经有30多年的历史，但PCR分子诊断也只是近年随着药物基因组学、表观遗传组学及宏基因组学研究的不断深入而得以迅速发展。qPCR的巧妙之处在于荧光信号“开”“关”的可控性，可以预见全光谱、可编程的多重聚合酶链反应（mPCR)是发展趋势之一。
核酸测序已发展至第三代单分子测序，但第二代测序是目前临床应用的主流。针对不同的应用场景和检测靶点，PCR和测序各有所长。一般认为，PCR成本低、操作简便、数据易解读；而测序更适用于高内涵及未知序列的确认。本书付梓之际，全外显子组测序（whole exome sequencing，WES)、全基因组测序（whole genome sequencing，WGS)、革巴向测序（targeted sequencing)与mPCR产品在基因分型及伴随诊断领域“鏖战正酣”，同时宏基因组学二代测序（metagenomics next generation sequencing，mNGS)、革巴向二代测序（targeted next generation sequencing，tNGS)与mPCR在临床病原体鉴别中也呈现日趋“白热化”的竞争态势。
4.即时检测即时检测（pointofcaretesting，POCT)的定义比较宽泛，一般认为仪器小巧、易操作、易解读的检验技术都可定义为POCT，其突出特征是快速、简便，即短时间内简单操作就可获取结果。目前，基于免疫分析和纸层析的胶体金试纸POCT已经完全成熟;基于PCR的一体化核酸POCT异军突起；基于恒温扩增的核酸POCT也在不断完善中。典型的POCT包括血压腕表、血糖仪及试纸、肌钙蛋白试纸、病毒抗原检测试纸等。例如，利用血压腕表居家进行动态血压监测，可以做到：①提高早期无症状的轻度高血压或临界高血压的检出率；②结合心血管药物基因组学，用于监测药物的治疗效果，帮助选择药物、调整剂量与给药时间。由于具有快速和简便的特性，POCT在心肌梗死标志物肌钙蛋白的检测和大规模人群病毒感染筛查等应用场景中发挥着不可替代的重要作用。
5.质谱检测利用电磁场区分质核比差异的离子化样本、通过离子电子转换器检测离子流，质谱在生物医学领域中主要被应用于新生儿代谢物筛查、药物浓度监测、代谢物（氨基酸、脂肪酸、胆汁酸）检查、类固醇激素检测（内分泌检测）微量元素检测、维生素族检测及微生物鉴定等。目前临床常用的质谱有用于小分子（50？2000Da)定量检测的三重四极杆串联质谱、能提供精准分子质量并可以对大分子定性的飞行时间质谱，以及用于元素分析的电感耦合等离子体质谱等。质谱的*特价值未来可能更多地体现在直接检测蛋白质标志物的宏蛋白质组学、单分子生物分析领域。
6.流式分析流式细胞仪可在悬液中检测细胞或颗粒，检测下限低至50个藻红蛋白荧光分子，灵敏度高，准确性好，被广泛应用于细胞亚群分型、细胞活性分析、细胞抗原半定量及分泌因子完全定量等诸多领域。流式细胞仪素有“生物实验室CT”之称，其既可以分析细胞活性，也可以定量抗原，还可以检测核酸；不但可以检测胞内抗原，而且可以半定量胞膜受体，还可以完全定量分泌因子。近年来，显微成像流式、质谱流式及光谱流式等新体制流式细胞仪被不断衍生出来。这不但强化了流式检测功能，也拓展了其应用范围。与化学发光相比，流式抗原检测的显著特性是并行分析。以往流式主要用于细胞分析，但随着高感染病毒的暴发及嵌合抗原受体T细胞免疫疗法（chimeric antigen receptor T-cell immunotherapy，CAR-T)的出现，基于编码微球的分泌因子定量已逐渐普及。“样本进，结果出”（samplein，resultout)的自动化、智能化流式细胞仪也已面市。
二、生物医学分析化学发展简史
1913年，美国科学家米凯利斯（Michaelis)和门顿（Menten)根据中间产物学说推导出酶催化作用的米氏方程，为酶学研究提供了重要的研究工具。1852年，比尔（Beer)参考了布格（Bouguer)和朗伯（Lambert)所发表的文章，提出了著名的朗伯-比尔定律（Lambert-Beerlaw)，奠定了生化分析的理论基础。1854年，迪博斯克（Duboscq)和内斯勒（Nessler)等将此理论应用于定量分析化学领域，并设计了**台比色计。
B淋巴细胞的分化及单克隆抗体产生的理论被称为克隆选择学说，其由伯内特（Burnet，1899？1985)于1957年*次提出。科勒（Kohler)和米尔斯坦（Milstein)在1975年发明了淋巴细胞与肿瘤细胞的杂交瘤技术，解决了制备单克隆抗体的难题。1959年，美国科学家亚洛（Yalow)和伯森（Berson)用放射性碘标记的胰岛素和抗胰岛素抗体的抗原抗体反应，建立了基于放射免疫分析技术的超微量胰岛素定量技术，从此免疫分析研究拉开了历史序幕。
PCR技术最早由穆利斯（Mullis，1944？2019)于1985年发明，成为核酸研究和分子诊断的“基石”。1977年，桑格（Sanger)在加减测序法的基础上创建了双脱氧法（又称链终止法）。1996年，罗纳吉（Ronaghi)和乌伦（Uhlen)建立了焦磷酸测序（pyrosequencing)法。2005年，454公司划时代地推出了基于焦磷酸测序原理的Genome Sequencer20测序系统，这在测序史上是具有里程碑意义的大事件，其改变了测序的规模化进程，成为第二代高通量测序的先行者。纳米孔分析技术起源于Coulter计数器的发明及单通道电流的记录技术。内尔（Neher)和萨卡曼（Sakamann)于1976年利用膜片钳技术研究了膜蛋白及离子通道，推动了纳米孔测序技术的实际应用进程。1996年，卡萨诺维茨（Kasianowicz)等提出了利用a-溶血素测序DNA的新设想，这是生物纳米孔单分子测序的里程碑事件。
1971年，福克（Faulk)和泰勒（Taylor)*次将胶体金作为标记物用于免疫电镜技术，这标志着胶体金作为一种新型的有色标记物被应用到了免疫学领域。1989年，斯皮尔伯格（Spielberg)等将免疫渗滤技术、胶体金标记物和固相载体相结合，建立了胶体金免疫渗滤技术，实现了从电镜水平到斑点免疫诊断的应用。1990年，贝格斯（Beggs)等在胶体金免疫渗滤技术的基础上建立了更加简易、快速的胶体金免疫层析技术。
19世纪末，德国物理学家戈尔德施泰因（Goldstein)在一次低压放电实验中发现了正电荷粒子。随后德国物理学家维恩（Wien)也观察到放电实验中正对阴极的玻璃管壁上有泛绿的辉光。维恩在研究戈尔德施泰因发现的阳极射线时，制造了一台能测量原子质荷比的仪器，并在1898年通过对阳极射线的分析而测量了氢原子核的质量，这是*次对质子的测量。1912年，英国卡文迪许实验室的汤姆孙（Thomson)改进了维恩所做的仪器，制造了质谱仪的原型机。
1934年，摩尔多瓦（Moldavan)利用装载流动细胞的玻璃管和光电探测器在显微镜下测量了红细胞。1940年，孔斯（Coons)提出用结合荧光素的抗体去标记细胞内的特定蛋白。
1949年，库尔特（Coulter)设计了一种流体中悬浮粒子的计数方法——库尔特计数原理。库尔特计数原理的问世开创了血细胞分析自动化时代。1953年，帕克（Parker)和哈琴（Hutcheon)设计了一种全血单细胞分析装置，这是最早出现的流式细胞仪的雏形。1969年，富尔怀勒（Fulwyler)等基于细胞荧光设计出了**台流式细胞仪，极大地推动了细胞生物学的发展。
三、生物医学分析化学对社会经济发展的影响
（一）健康生命机体，延长人类寿命
1.提高生育质量遗传代谢病病因复杂，临床表现多种多样，治疗效果不佳，对社会和家庭危害大。遗传代谢病除依据家族史和临床特征外，必须依靠实验室检查才能做出判断。
20世纪初发现的**个遗传代谢病-尿黑酸尿症（alkaptonuria)就是通过检测尿中尿黑酸的含量确定的。目前有100多种疾病通过检测生物标志物得到确诊，有效降低了出生缺陷病的发病率。
核型分析是细胞遗传学检测的金标准，但需要羊膜穿刺采取胎儿组织样本，易导致胎儿流产（发生率为5%)也有的用外周血生化指标来进行胎儿的遗传学检查，但因为不是直接检测胎儿的染色体，准确性有待提高。卢煜明教授在1997年*次发现游离胎儿DNA存在于母体血浆中；2002年解决了从孕妇的血液中识别出胎儿DNA的关键问题；2008年建立了测序方法，显著提高了唐氏综合征的检出率。
2.保障人类健康高尿酸血症（痛风）是人体内嘌呤代谢异常而致尿酸合成增加、尿酸盐结晶沉积引起的病变，可累及患者足部发生炎症性关节炎。