編者按：生物傳感和器官芯片均屬于生物器件，是典型的交叉學(xué)科產(chǎn)物和匯聚技術(shù)。生物傳感已經(jīng)發(fā)展了50年，在生命科學(xué)研究、疾病診斷與護(hù)理、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物過(guò)程控制中發(fā)揮了重要作用。器官芯片則是近年發(fā)展起來(lái)的新興技術(shù)，是生物芯片新的發(fā)展方向，在新藥研發(fā)、毒理學(xué)研究和再生醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有重要應(yīng)用前景。當(dāng)前，大健康從概念走向?qū)嵤?，賦予生物傳感和器官芯片新的動(dòng)力，兩者融合發(fā)展，對(duì)生命科學(xué)發(fā)展和大健康事業(yè)有重要意義?！对嚎诽夭邉澚恕吧飩鞲信c器官芯片”專題，旨在進(jìn)一步引起國(guó)家相關(guān)管理部門及社會(huì)公眾對(duì)于該領(lǐng)域的關(guān)注與重視。本期專題由本刊編委、中科院生物物理所研究員張先恩指導(dǎo)推進(jìn)。

張先恩

中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所 生物大分子國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)科學(xué)院生物大分子卓越中心

20 世紀(jì) 60 年代，美國(guó)學(xué)者電分析化學(xué)專家 Leland C. Clark Jr 提出，對(duì)生物化學(xué)物質(zhì)的測(cè)定，能否像 pH 電極那樣便捷？這導(dǎo)致了酶電極（enzyme electrode）即第一個(gè)生物傳感器（biosensor）的問(wèn)世。半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，生命科學(xué)、化學(xué)、物理、信息、材料、仿生等多學(xué)科原理和技術(shù)紛紛融入，使生物傳感發(fā)展成為一門典型的匯聚技術(shù)（convergence technology）。它被賦予若干特征——簡(jiǎn)便、靈敏、快速、準(zhǔn)確，因而在生命科學(xué)研究、疾病診斷與居家監(jiān)護(hù)、生物過(guò)程控制、農(nóng)業(yè)與食品安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)與污染控制、生物安全與生物安保、航天、深海和極地科學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景（表 1）。

當(dāng)前，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和大健康從概念走向?qū)嵤飩鞲幸云浜线m的技術(shù)特色，面臨新的發(fā)展機(jī)遇。通過(guò)百度網(wǎng)站搜索“生物傳感器”，獲得300多萬(wàn)條結(jié)果（這還不包括其衍生詞），儼然是一個(gè)科技熱詞。

本文將概述生物傳感的發(fā)展歷程，介紹中國(guó)學(xué)者的學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)，并討論當(dāng)前發(fā)展熱點(diǎn)及技術(shù)挑戰(zhàn)。

1 發(fā)展階段及特點(diǎn)

1.1 第一次發(fā)展高潮：各種物理和化學(xué)換能原理被采用，推動(dòng)領(lǐng)域形成

20 世紀(jì) 70—80 年代，一方面，各類生物大分子和生物材料被選作用于生物傳感器的分子識(shí)別元件，包括酶、抗體、核酸、細(xì)胞、組織片、微生物、完好（intact）生物器官（如動(dòng)物神經(jīng)觸角）等，多種生化和免疫物質(zhì)（即環(huán)境化學(xué)物質(zhì)）得以被快速檢測(cè)。另一方面，眾多物理和化學(xué)換能器（transducer）原理被紛紛采用，形成生物傳感大家族。其中涵蓋了從生物量到各種物理量和化學(xué)量的轉(zhuǎn)換，包括電化學(xué)生物傳感、熱學(xué)生物傳感、半導(dǎo)體生物傳感（生物場(chǎng)效應(yīng)晶體管）、光纖生物傳感、壓電、質(zhì)量及聲波生物傳感等。這些新原理生物傳感模式各具特色，適合于不同的應(yīng)用場(chǎng)景，奠定了生物傳感領(lǐng)域發(fā)展框架（圖 1）。

此間有 3 個(gè)標(biāo)志性事件。（1）1985 年生物傳感專業(yè)刊物 Biosensors（ Elsevier出版）創(chuàng)刊，后更名為Biosensors & Bioelectronics（《生物傳感與生物電子學(xué)》），成為生物傳感領(lǐng)域的權(quán)威學(xué)術(shù)期刊。（2）1987年，第一部生物傳感專著——Biosensors: Fundamentals & Applications 出版，該書由 60 多位專家共同撰寫，至今仍被認(rèn)為是生物傳感經(jīng)典著作。（3）1990 年，首屆世界生物傳感學(xué)術(shù)大會(huì)召開，以后每?jī)赡昱e行 1 次，成為生物傳感領(lǐng)域的學(xué)術(shù)盛會(huì)。這 3 個(gè)事件意味著生物 傳感已經(jīng)發(fā)展成為具有一定規(guī)模的研究領(lǐng)域。 Anthony Turner 教授主持了這 3 件事，發(fā)揮了重要作用。

1.2 第二次發(fā)展高潮：新原理生物傳感和DNA芯片促進(jìn)大規(guī)模商業(yè)化

（1）第二代酶電極獲得商業(yè)化成功。20 世紀(jì) 80 年代，美國(guó)YSI公司（Yellow Spring Instruments Inc.）實(shí)現(xiàn)了酶電極在食品發(fā)酵行業(yè)的商業(yè)化應(yīng)用。然而，早期的酶電極在進(jìn)一步普及應(yīng)用的過(guò)程中存在兩個(gè)主要難題：① 所采用的酶多為氧化還原酶，尤其是氧依賴型酶，以氧分子作為電子受體，需要較高的工作電位（0.7 V），容易受其他電極活性物質(zhì)干擾，而且，樣品中本底氧濃度變化也會(huì)產(chǎn)生背景噪聲。由此，英國(guó)學(xué)者 Cass 等用合成化學(xué)介體二茂鐵取代氧分子作為酶催化的電子受體，在較低的工作電位下實(shí)現(xiàn)酶與電極之間的電子傳遞，解決了電極活性物質(zhì)干擾和氧背景干擾的問(wèn)題，被稱為第二代酶電極。② 酶電極采用手工制作，成本高、互換性較差，推廣受限。受到電子行業(yè)印刷電路工藝的啟發(fā)，英國(guó)克蘭菲爾德大學(xué)（Cranfield University）的專家們引入了絲網(wǎng)印刷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了酶電極的規(guī)模化制備。新原理與新技術(shù)的結(jié)合，成功地解決了上述難題，使生物傳感器成為“用過(guò)即扔”（disposable）的一次性使用商品。該技術(shù)首先用于血糖測(cè)定，迅速在醫(yī)院普及，并廣泛用于高血糖患者居家監(jiān)護(hù)。

（2）表面等離子體共振（surface plasmon resonance，SPR）生物傳感器廣泛用于生物分子相互作用研究。 在生命科學(xué)研究和藥物開發(fā)中，廣泛需要測(cè)定（生物）分子相互作用。在SPR 傳感器界面上，當(dāng)入射光發(fā)生全內(nèi)反射時(shí)，其光能與器件表面電子云發(fā)生共振，共振角度隨著器件表面的生物分子與待測(cè)分子的相互作用而發(fā)生漂移，并呈相關(guān)性。測(cè)定過(guò)程能夠動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，無(wú)須標(biāo)記樣品、監(jiān)測(cè)靈敏度與放射性免疫相當(dāng)?；谠撛淼娜鸬?Biacore 生物傳感儀（現(xiàn)屬 GE 公司）已經(jīng)成為研究生物分子相互作用的有效工具和主導(dǎo)技術(shù)。然而，任何技術(shù)都有其生命周期。近 10 年來(lái)， ForteBio 公司推出另一種非標(biāo)記技術(shù)——生物膜光相干生物傳感器（bio-layer interferometry，BLI）。該方法具有低成本和較高通量的特點(diǎn)，迅速獲得普及應(yīng)用，并與 SPR 生物傳感形成競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)。

（3）DNA芯片實(shí)現(xiàn)基因表達(dá)高通量分析。生物芯片（biochips）包括計(jì)算機(jī)生物芯片、芯片實(shí)驗(yàn)室（lab-on-a-chip）和檢測(cè)芯片。其中檢測(cè)芯片可以被認(rèn)為是生物傳感的高通量形式。 20 世紀(jì) 90 年代中期出現(xiàn)的 DNA 芯片，其微陣列密度高達(dá)每平方厘米數(shù)萬(wàn) DNA探針，可一次性地獲得全基因組的表達(dá)譜圖，從而成為生命科學(xué)研究的重要工具。美國(guó) Affymetrix 公司是該領(lǐng)域的旗艦企業(yè)。在 DNA 微陣列芯片的基礎(chǔ)上，發(fā)展出了一系列生物芯片，如蛋白芯片、多肽芯片、寡糖芯片、免疫芯片等，廣泛應(yīng)用于科研和臨床。源于清華大學(xué)的博奧生物等國(guó)內(nèi)研究中心和企業(yè)也做出了系列的創(chuàng)新并成功開拓市場(chǎng)。

根據(jù)市場(chǎng)分析報(bào)告，2014 年，生物傳感和生物芯片的全球市場(chǎng)分別為 129 億和 39 億美元，預(yù)計(jì)到 2020 年將分別達(dá)到 2 2 5 億和 1 8 4 億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率為 9.7% 和 31.6%，屆時(shí)總市場(chǎng)規(guī)模約為400億美元。

1.3 第三次發(fā)展高潮：納米技術(shù)被普遍用于提升生物傳感性能

21 世紀(jì)以來(lái)，納米技術(shù)的引入賦予了生物傳感許多新的特性，如高靈敏、多參數(shù)、微環(huán)境應(yīng)用等。納米效應(yīng)包括表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。當(dāng)傳感器或傳感器組件達(dá)到納米尺度時(shí)，這些效應(yīng)便不同程度顯現(xiàn)：在納米尺寸，傳感界面表面原子所占的百分?jǐn)?shù)顯著增加，傳感器的靈敏度也獲得提高。小尺寸效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致光學(xué)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)等發(fā)生變化。例如，半導(dǎo)體納米懸臂梁，能夠稱量一個(gè)病毒的重量（ 9.5×10^(-15)g）。又如，半導(dǎo)體量子點(diǎn)，在同一個(gè)激發(fā)波長(zhǎng)條件下，發(fā)射光頻率會(huì)隨量子點(diǎn)尺寸的改變而變化，通過(guò)調(diào)節(jié)量子點(diǎn)尺寸可以獲得不同的發(fā)射顏色，這使得多靶標(biāo)光學(xué)測(cè)定變得簡(jiǎn)單。由于量子點(diǎn)比熒光染料和熒光蛋白的抗光漂白的能力要強(qiáng)得多，適合于長(zhǎng)時(shí)程觀察，目前已在生命科學(xué)研究和疾病檢驗(yàn)方面獲得廣泛應(yīng)用。

蛋白質(zhì)和 DNA 等生物大分子是天然的納米材料。它們通過(guò)自組裝，在細(xì)胞內(nèi)形成結(jié)構(gòu)精巧、功能獨(dú)特的生物傳感網(wǎng)絡(luò)和分子機(jī)器系統(tǒng)，保證新陳代謝的有序進(jìn)行。認(rèn)識(shí)它們的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和運(yùn)作機(jī)理，對(duì)于深入理解生命現(xiàn)象有重要幫助。不僅如此，基于獲得的知識(shí)，構(gòu)建納米生物傳感器，或與納米材料相結(jié)合構(gòu)建雜合納米生物傳感器，特別適合于活細(xì)胞中生物學(xué)過(guò)程和重大疾病發(fā)生發(fā)展過(guò)程的研究。納米生物傳感目前已經(jīng)有大量研究報(bào)道，也成為納米生物學(xué)和納米生物技術(shù)領(lǐng)域的重要研究方向。

據(jù) Web of Science 數(shù)據(jù)庫(kù)（Clarivate Analytics）統(tǒng)計(jì)，自 2010 年以來(lái)，生物傳感相關(guān)論文 6 萬(wàn)多篇中，納米生物傳感或采用納米技術(shù)的生物傳感的論文達(dá)到 58%。

2 中國(guó)學(xué)者的影響力

2.1 論文貢獻(xiàn)已進(jìn)入世界第一方陣，指標(biāo)領(lǐng)先

中國(guó)學(xué)者在生物傳感領(lǐng)域進(jìn)步十分顯著。用“Biosens”（生物傳感*）作為關(guān)鍵詞檢索 Web of Science文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)現(xiàn)，1990 年中國(guó)學(xué)者在國(guó)際上發(fā)表的相關(guān)論文數(shù)量?jī)H占比 1%，2011 年開始超越美國(guó)位居首位，2017 年以來(lái)占比已超過(guò) 35%，大幅領(lǐng)先于其他國(guó)家（圖2a），歷史論文總數(shù)已經(jīng)與美國(guó)持平。此外，在高影響力論文中，中國(guó)學(xué)者的高被引論文數(shù)和熱點(diǎn)論文數(shù)分別居第 1 和第 2 位（圖 2b）?？梢姡瑹o(wú)論是論文總量的貢獻(xiàn)，還是高影響力論文的產(chǎn)出，中國(guó)學(xué)者已經(jīng)處在世界第一方陣。

2.2 學(xué)術(shù)上尚待實(shí)現(xiàn)卓越與引領(lǐng)，成果轉(zhuǎn)化應(yīng)有全球化視野

然而，上述數(shù)據(jù)并非說(shuō)明中國(guó)學(xué)者已經(jīng)處在領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位。迄今為止，各大類生物傳感原理均是由他國(guó)學(xué)者建立的。近些年，中國(guó)學(xué)者的高影響力基于 3 個(gè)主要原因：（1）研究水平整體提升，這毋庸置疑；（2）研究隊(duì)伍體量大，其中高水平人員及其原始性研究總數(shù)也就比較多；（3）納米技術(shù)在中國(guó)迅速發(fā)展和普及，新型的納米材料如石墨烯、碳納米管、量子點(diǎn)等對(duì)提升生物傳感器的性能有明顯作用，中國(guó)的高影響力論文大都與納米技術(shù)有關(guān)。

生物傳感轉(zhuǎn)化應(yīng)用與市場(chǎng)開發(fā)方面，中國(guó)起步晚于歐、美、日。比較成功的如：山東科學(xué)院生物研究所的系列酶電極，已經(jīng)在國(guó)內(nèi)食品發(fā)酵行業(yè)廣泛應(yīng)用，市場(chǎng)占有率達(dá) 90% 以上；部分國(guó)產(chǎn)血糖儀產(chǎn)品如三諾、怡成等已進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的十大銷售品牌行列；博奧基因芯片在疾病檢測(cè)方面已擁有一定的市場(chǎng)?？傮w而言，生物傳感與生物芯片的國(guó)際市場(chǎng)，仍由他國(guó)跨國(guó)公司主導(dǎo)。

由此可見，中國(guó)要在生物傳感領(lǐng)域進(jìn)一步提升影響力，需要兩手抓：一是鞏固已有的成績(jī)，在學(xué)術(shù)和創(chuàng)新上實(shí)現(xiàn)卓越與引領(lǐng)；二是重視轉(zhuǎn)化研究，聯(lián)手工業(yè)界，在全球市場(chǎng)開發(fā)方面有更大的作為。

3 當(dāng)前的研究熱點(diǎn)與技術(shù)挑戰(zhàn)

3.1 穿戴式生物傳感器及無(wú)創(chuàng)測(cè)定

穿戴式傳感器系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地產(chǎn)生個(gè)體生命參數(shù)，這有兩個(gè)方面的意義。（1）微觀方面。 實(shí)時(shí)測(cè)定疾病標(biāo)志參數(shù)，并通過(guò)手機(jī)等發(fā)射裝置將數(shù)據(jù)發(fā)送到醫(yī)療數(shù)據(jù)中心，有利于患者居家監(jiān)護(hù)、個(gè)體化醫(yī)療和遠(yuǎn)程醫(yī)療。（2）宏觀方面。 隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)的跨界融合，新技術(shù)與新商業(yè)模式使疾病的預(yù)防、診斷、治療與控制進(jìn)入智能化時(shí)代。生物傳感及生理傳感系統(tǒng)與手機(jī)聯(lián)通作為智能終端，將成為健康醫(yī)療大數(shù)據(jù)不可取代的數(shù)據(jù)源。通過(guò)接受、存儲(chǔ)、管理和處理分析這些數(shù)據(jù)，可以對(duì)公眾健康狀況、疾病發(fā)生規(guī)律進(jìn)行歸納分析，從而提供更好的疾病防控策略。

目前，體溫、脈搏、血壓、呼吸頻率等生理指標(biāo)的穿戴式傳感器系統(tǒng)已經(jīng)開始普及。這些指標(biāo)均可通過(guò)物理傳感器進(jìn)行直接測(cè)定。而生物傳感器的測(cè)定對(duì)象都在體內(nèi)，如何實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)（non-invasive）測(cè)定成為主要挑戰(zhàn)。

人體生化、免疫等參數(shù)和疾病標(biāo)志物的測(cè)定一般要采集血液。對(duì)于一些需要日常監(jiān)控的代謝指標(biāo)如血糖等，每日采血是一個(gè)不小的心理負(fù)擔(dān)和生理負(fù)擔(dān)，大多數(shù)患者因?qū)Σ裳目謶侄艞壢粘１O(jiān)控。極微量采血器和高靈敏生物傳感器組成的微創(chuàng)檢測(cè)技術(shù)能夠有效地減少患者的痛苦，但無(wú)創(chuàng)測(cè)定技術(shù)仍然在探索中。主要有兩個(gè)技術(shù)路徑：電化學(xué)酶電極方法和光學(xué)方法。

3.1.1 酶電極法

由于酶電極法難以經(jīng)皮測(cè)定（percutaneous determination），研究者們?cè)噲D通過(guò)測(cè)定其他體液樣品來(lái)間接反映血液成分。例如，采用電流法或負(fù)壓法使皮下組織葡萄糖滲出，再用酶電極測(cè)定；谷歌（Google）與諾華（Novartis）合作嘗試將微型酶電極印制在隱形眼鏡片上測(cè)定淚液葡萄糖；美國(guó)加州大學(xué)正在發(fā)展能測(cè)定汗液生化成分的佩戴式酶電極。間接法除了需要克服各自的技術(shù)難題以外，測(cè)定結(jié)果與血液中相應(yīng)的物質(zhì)濃度之間的相關(guān)性以及生理意義是主要的科學(xué)問(wèn)題，需要開展大量的基礎(chǔ)與臨床研究。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)者最近利用質(zhì)譜法分析了汗液外泌體中生化物質(zhì)的組分，有利于找到汗液中合適的健康或疾病檢測(cè)指標(biāo)。

3.1.2 光學(xué)法

光學(xué)法是利用被檢測(cè)對(duì)象的光譜學(xué)特征進(jìn)行測(cè)定，包括彈性光散射法、拉曼光譜方法、原位 SPR 法等。近紅外光譜測(cè)定血糖已經(jīng)進(jìn)行了大量研究。葡萄糖分子在近紅外區(qū)間有吸收峰，但與水分子、脂肪和血紅蛋白等吸收相互重疊，干擾嚴(yán)重，加上皮膚組織的光吸收和光散射大大減弱了本來(lái)就比較弱的葡萄糖光吸收信號(hào)。此外，皮膚和組織的厚度及結(jié)構(gòu)也因人而異，為獲得準(zhǔn)確的結(jié)果，還需要考慮個(gè)體建模。

以色列兩家公司分別通過(guò)大數(shù)據(jù)建模和機(jī)器學(xué)習(xí)，創(chuàng)建了兩種“學(xué)習(xí)法”測(cè)定血糖技術(shù)。 CNOGA 公司產(chǎn)品 TensorTip CoG 設(shè)備具有 4 個(gè)發(fā)光二極管光源，可發(fā)送波長(zhǎng) 600—1150 nm 的光。當(dāng)光通過(guò)手指，人體組織對(duì)光的吸收會(huì)使透過(guò)光改變顏色，用攝像傳感器檢測(cè)光譜的變化，同時(shí)采血測(cè)定血糖濃度，以建立血糖與光譜變化的相關(guān)性。通過(guò)反復(fù)學(xué)習(xí)和處理器的算法，對(duì)多達(dá)上億個(gè)色彩組合進(jìn)行分析建模，最終能無(wú)創(chuàng)地計(jì)算出血糖濃度。另一款產(chǎn)品 Gluco Track 采用多模量方法，在耳垂部位測(cè)量超聲波、電磁和熱量的變化，來(lái)計(jì)算血糖濃度。由于血液生化標(biāo)志物濃度一般都很低，加上皮膚厚度、組織結(jié)構(gòu)等生物要素因人而異，學(xué)習(xí)和建模必須考慮個(gè)體差異，這或許會(huì)增加普及的難度。

拉曼光譜是一種非彈性散射模量，它的散射光波長(zhǎng)不同于照射光波長(zhǎng)，其效應(yīng)源于分子振動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)。科學(xué)家已經(jīng)獲得多種化合物分子的拉曼光譜表征數(shù)據(jù)和指紋圖譜。由于水分子的拉曼散射極弱，拉曼光譜適合于水溶液中有機(jī)分子的無(wú)標(biāo)記測(cè)定。用拉曼光譜技術(shù)在體外測(cè)定血糖、尿糖、白蛋白等的含量已有不少報(bào)道，測(cè)定體內(nèi)血液組分成為目前的研究熱點(diǎn)。但如同中紅外和近紅外光譜法，拉曼光譜特征信號(hào)弱、經(jīng)皮測(cè)定信噪比高，準(zhǔn)確度和敏感度受到影響，而且儀器昂貴，暫時(shí)難以實(shí)際應(yīng)用。采用表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）方法可以有選擇性地放大靶標(biāo)生物分子特定發(fā)色基團(tuán)的振動(dòng)，從而大大提高檢測(cè)靈敏度。但該方法應(yīng)如何在體內(nèi)使用，仍在探索中。

總之，盡管還存在種種難題，智能可穿戴生物傳感設(shè)備無(wú)疑具有重要的價(jià)值和發(fā)展?jié)摿?。相關(guān)技術(shù)上的突破，將帶來(lái)醫(yī)療模式的深刻變化。

3.2 生物傳感器與活體測(cè)定

生物傳感器在活體測(cè)定方面具有重要意義。如神經(jīng)活動(dòng)示蹤、腫瘤靶標(biāo)的體內(nèi)識(shí)別、疾病或健康標(biāo)志物的體內(nèi)濃度測(cè)定等。由于體內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜性，對(duì)生物傳感器有特殊的要求，主要難題包括：體內(nèi)環(huán)境和非特異性成分的干擾，測(cè)定裝置的微型化，無(wú)創(chuàng)測(cè)定等。

神經(jīng)遞質(zhì)（如多巴胺）是神經(jīng)細(xì)胞分泌和傳遞給靶細(xì)胞的信息，它們調(diào)節(jié)人類行為和大腦功能。神經(jīng)遞質(zhì)的生物合成和代謝轉(zhuǎn)化異常，將導(dǎo)致嚴(yán)重疾病。多巴胺神經(jīng)傳遞在動(dòng)機(jī)、學(xué)習(xí)、認(rèn)知和運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)中起主要作用，其水平異常被認(rèn)為與成癮行為、神經(jīng)系統(tǒng)疾?。ㄈ缗两鹕　柎暮Ｄ『秃嗤㈩D氏?。?、精神分裂癥和精神病關(guān)聯(lián)。體內(nèi)測(cè)定多巴胺有 3 種方法：（1）微透析采樣+電化學(xué)法分析，屬于微創(chuàng)法，有約 20 分鐘的時(shí)間滯后。（2）正電子發(fā)射斷層掃描法（PET），屬于無(wú)創(chuàng)法，但設(shè)備昂貴，耗時(shí)長(zhǎng)（40 多分鐘）。（3）熒光光纖光度法，需要植入，屬于微創(chuàng)法，測(cè)定適時(shí)。由于多巴胺本身是電極活性物質(zhì)，電化學(xué)分析法是目前的主流技術(shù)，相關(guān)的生物傳感器已有酶電極、DNA修飾電極、適配子（Aptamers）修飾電極、分子印跡物（MIPs）修飾電極等。采用納米材料可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)分析, 高時(shí)空分辨和抗電極活性物質(zhì)干擾是主要研究方向。

已經(jīng)報(bào)道的其他體內(nèi)測(cè)定和示蹤的對(duì)象還有NO（自由基信使分子）、乙醇與乙醛（神經(jīng)活性劑）等。

光遺傳學(xué)（Optogenetic）技術(shù)也有可能用于發(fā)展活體測(cè)定的生物傳感。在神經(jīng)調(diào)制的 G 蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）信號(hào)過(guò)程中，有多種類型的分子光感受器可參與作用，如視蛋白（Opsins）、光活性蛋白、光開關(guān)分子和熒光蛋白等。它們或是天然的，或是基因重組的。分子光感受器受外部激發(fā)后產(chǎn)生構(gòu)象變化，觸發(fā)GPCR信號(hào)通路。通過(guò)光激發(fā)和去光激發(fā)，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞信號(hào)的調(diào)制，從而監(jiān)視體內(nèi)神經(jīng)活動(dòng)。這類光感受器可以歸為分子生物傳感器類。

3.3 分子生物傳感與細(xì)胞分子影像

分子生物傳感器是由DNA或蛋白質(zhì)等生物大分子通過(guò)基因重組或DNA合成技術(shù)構(gòu)成的傳感器，尤其適合細(xì)胞內(nèi)分子事件的探測(cè)。目前廣泛應(yīng)用的分子傳感器主要有4類：分子信標(biāo)（MB）、熒光能量轉(zhuǎn)移系統(tǒng)（FRET）、生物發(fā)光能量轉(zhuǎn)移系統(tǒng)（BRET）和雙分子熒光互補(bǔ)系統(tǒng)（BiFC）。它們通過(guò)自身的構(gòu)象變化、光反應(yīng)及光學(xué)活性變化來(lái)指示靶標(biāo)生物分子在活細(xì)胞中的定位、運(yùn)動(dòng)和分布、分子之間相互作用、分子構(gòu)象變化、酶活性檢測(cè)、細(xì)胞及亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)境變化和外生化合物作用的響應(yīng)等。分子生物傳感器與超分辨顯微系統(tǒng)相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)單分子事件的成像檢測(cè)，這是傳統(tǒng)的生物傳感器難以企及的，對(duì)生命科學(xué)研究意義重大。目前，超分辨成像是在固定細(xì)胞上完成的，活細(xì)胞條件下的分子事件探測(cè)分辨率剛剛突破顯微鏡衍射極限（200 nm），如何在活細(xì)胞內(nèi)實(shí)現(xiàn)超高時(shí)空分辨的分子事件探測(cè)，仍然是挑戰(zhàn)。

3.4 生物反應(yīng)工程過(guò)程的在線監(jiān)控

生物反應(yīng)工程指通過(guò)規(guī)模化培養(yǎng)微生物、植物或動(dòng)物細(xì)胞來(lái)生產(chǎn)工業(yè)品、藥品或食品等的工藝過(guò)程。過(guò)程自動(dòng)控制對(duì)提高生產(chǎn)率和節(jié)能環(huán)保有重要意義。已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了物理和化學(xué)參數(shù)的檢測(cè)與控制，但生物參數(shù)如生物量、代謝物、底物和產(chǎn)物的在線監(jiān)測(cè)仍然是難題，主要障礙是生物元件不耐受生物反應(yīng)器內(nèi)部的高溫高壓滅菌環(huán)境。目前的監(jiān)控方式是在生產(chǎn)過(guò)程中從生物反應(yīng)器中采樣分析（又稱“離線分析”），或經(jīng)過(guò)濾器做引流分析。此外，由于缺乏合適的酶電極，對(duì)微生物中間代謝物的檢測(cè)也比較困難。借鑒合成生物學(xué)手段構(gòu)建級(jí)聯(lián)（cascade）酶?jìng)鞲衅骰蛉?xì)胞代謝生物傳感系統(tǒng)，或許能夠解決這個(gè)問(wèn)題。生物參數(shù)的在線監(jiān)控是生物反應(yīng)工程過(guò)程實(shí)現(xiàn)全流程自動(dòng)化的最后堡壘，亟待攻克。

3.5 生物傳感器與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

生物傳感設(shè)備因其便攜性和測(cè)定快速而十分適合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。應(yīng)用場(chǎng)景如：水體、土壤和大氣環(huán)境指標(biāo)（有機(jī)物、重金屬等）的測(cè)定，污水處理工藝過(guò)程控制指標(biāo)監(jiān)測(cè)，農(nóng)田肥力檢測(cè)，食品成分、添加劑及污染物的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，生物反恐現(xiàn)場(chǎng)偵檢，口岸檢疫及違禁化合物檢測(cè)，特殊環(huán)境（如航空、深海、極地等）的生物和環(huán)境指標(biāo)監(jiān)測(cè)，重癥患者的床邊即時(shí)檢測(cè)（point-of-care testing，POCT）監(jiān)護(hù)等。隨著人們生活質(zhì)量的提升，相關(guān)需求越來(lái)越旺盛。

3.6 生物傳感元件的穩(wěn)定性研究

生物傳感元件的穩(wěn)定性差仍然是其廣泛應(yīng)用的最主要限制因素。目前有多種解決辦法：（1）通過(guò)分子進(jìn)化或蛋白質(zhì)工程方法提升生物元件的穩(wěn)定性；（2）嗜極端環(huán)境生物的細(xì)胞元件通常穩(wěn)定性較好，可選作生物傳感敏感元件；（3）在生物敏感元件的貯存期添加穩(wěn)定劑和保護(hù)劑，以延長(zhǎng)貨架壽命；（4）利用模擬酶或分子印跡技術(shù)取代天然酶，它們的穩(wěn)定性很好，但需要提升催化活性；（5）核酸適配子（aptamer）的穩(wěn)定性優(yōu)于蛋白質(zhì)分子，已在一些場(chǎng)合取代抗體用作分子識(shí)別元件；（6）利用無(wú)機(jī)納米材料的類酶效應(yīng)來(lái)取代天然酶（主要是過(guò)氧化物酶），這是中國(guó)學(xué)者的創(chuàng)新性貢獻(xiàn)。

4 結(jié)語(yǔ)：借力大健康和學(xué)科交叉，實(shí)現(xiàn)生物傳感研究的卓越與引領(lǐng)，并造福社會(huì)

在中國(guó)，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人們生活水平迅速提高，生活與工作方式改變，疾病譜也發(fā)生顯著性變化，代謝性疾病、腫瘤、心血管疾病等慢性病成為主要疾病負(fù)擔(dān)。此外，亞健康問(wèn)題、食品安全問(wèn)題、環(huán)境衛(wèi)生問(wèn)題也為全社會(huì)所關(guān)注。為此，國(guó)家頒布了《“健康中國(guó) 2030”規(guī)劃綱要》，健康中國(guó)上升為國(guó)家戰(zhàn)略，推動(dòng)大健康從概念走向?qū)嵤?，也因此使生物傳感研究獲得新的動(dòng)力。生物傳感以其快速、準(zhǔn)確、便攜等諸多特點(diǎn)，在慢病監(jiān)護(hù)與管理、POCT、遠(yuǎn)程醫(yī)療與個(gè)體化醫(yī)療、食品安全與環(huán)境污染監(jiān)測(cè)等，將能發(fā)揮獨(dú)特的作用。為此，建議國(guó)家相關(guān)計(jì)劃和專項(xiàng)給予高度關(guān)注并加強(qiáng)部署。

生物傳感 50 年的持續(xù)發(fā)展，得益于生命科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)和信息技術(shù)等多個(gè)學(xué)科交叉融合。如今，要滿足大健康發(fā)展的需求，生物傳感研究還存在一系列挑戰(zhàn)。新時(shí)期，合成生物學(xué)、人工智能、納米技術(shù)、大數(shù)據(jù)等新興學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展與融合，將可能產(chǎn)生新思想、新原理和新方法，促進(jìn)生物傳感技術(shù)難題的解決，并提升生物傳感性能、賦予其新的功能和特性。

中國(guó)生物傳感研究將借助大健康發(fā)展的外部動(dòng)力和新興與交叉學(xué)科發(fā)展的內(nèi)在動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)學(xué)術(shù)上的卓越與引領(lǐng)，并造福社會(huì)。