原作者：聊城大學化學化工學院 馬榮娜，本賬號獲授權代為發佈。
提到傳感器你會聯想到什麼？會有突如其來的陌生感嗎?事實上，傳感器離我們並不遙遠，可以說我們每個人身上都有「傳感器」！「亂花漸欲迷人眼、暗香浮動月黃昏、酒闌更喜團茶苦、夜闌卧聽風吹雨、吹面不寒楊柳風」，古人這些關於五感的詩詞妙句，無一不是對傳感器的精準詮釋。
生物傳感器是一種用於檢測被分析物的分析設備，顧名思義，生物傳感器是把生物成分和物理化學檢測器結合在一起用於檢測分析的設備（圖1）。是由固定化的生物敏感物質作識別元件（包括酶、抗體、抗原、微生物、細胞、組織、核酸等生物活性物質）、適當的理化換能器（如氧電極、光敏管、場效應管、壓電晶體等等）及信號放大裝置構成的分析工具或系統。目的就是為了把待分析物種類、濃度等性質通過一系列的反應轉變為容易被人們接受的量化數據，便於分析。
圖1. 生物傳感器的組成
追溯生物傳感的前世今生，可以追蹤到17世紀，當時英國煤礦工人率先發現了一個秘密：金絲雀對於瓦斯濃度的敏感性遠遠高於人類。於是當煤礦工人下井時，便常常隨手攜帶一個裝有活體金絲雀的鳥籠，以探測礦井中的氧氣濃度是否充足，確保生命安全。這被認為是人類歷史上第一個氣體傳感器。而直到20世紀60年代，生物傳感器之父Leland C. Clark提出：能否像pH電極那樣便捷的對生物化學物質進行測定呢？才有了第一個生物傳感器酶電極傳感器的成功問世，基於其研究的葡萄糖傳感器造福了數百萬的糖尿病患者。
半個世紀以來，隨着生命科學、化學、物理、信息、材料、仿生等多學科原理和技術紛紛融入，生物傳感已發展成為一門多學科滲透交叉的科學技術，因其選擇性好、靈敏度高、分析速度快、操作簡單、易實現自動化與集成化等特點，生物傳感器的功能應用已拓展到活體測定、多指標測定、聯機在線測定，在生物醫學研究、環境監測與保護、食品檢驗檢疫、生物標誌物檢測等領域顯示出極具潛力的應用前景。
近年來，隨着重大食品安全問題的頻頻爆出，食品安全問題引發人們越來越多的關注。生物傳感器在食品成分、品質指標、食品微生物、農/獸葯殘留、食品添加劑、食品新鮮度、激素和非食用化學物質檢測等方面便發揮了巨大的作用，為食品安全帶來了保障。如食品工業中，葡萄糖含量是衡量水果成熟度和壽命的一個關鍵指標，目前已經開發的酶電極型生物傳感器，即可用來分析蘋果汁、果醬、蜂蜜中的葡萄糖（圖2）。
圖2. (a) 便攜式農藥殘留傳感器 (b) 葡萄糖分析儀
尤其在生物醫學領域，生物傳感器已發展成為生物醫學科學和技術的尖兵，形成了智能化、微型化、多參數、實時檢測和無創檢測等全新的發展方向，並取得了一系列的技術突破，應用非常廣泛。尤其是便攜式生物傳感設備的早期發展使其能夠應用於廣泛的疾病診斷和監測（圖2）。
圖3. 商業化便攜式生物傳感器的即時檢測診斷。
比如商用早孕試紙，其基於比色原理，以檢測受孕女性尿液中人類絨毛膜促性腺激素（hCG）實現對於早孕的初篩檢查（圖3a）。Home Health UK公司開發的8參數尿試紙條，可以檢測患者尿液中包括酮、葡萄糖、，pH值等各種病理變化（圖3b）。以及大家非常熟悉個人電子血糖儀，僅僅通過一滴血即可檢測血液中葡萄糖的濃度（圖3c）。且利用袖珍個人血糖儀的廣泛可用性和低成本以及DNA適配體的選擇性結合能力，伊利諾斯大學陸藝教授研究組開發了使用血糖儀量化非葡萄糖靶點的方法，可以實現可卡因、腺苷、結核病的γ干擾素（IFN-γ）和有毒金屬離子等的傳感（圖3d）。除上述病例外，其他針對大腸桿菌O157、甲型和乙型流感病毒、幽門螺桿菌、人類免疫缺陷病毒、結核病和瘧疾的商業檢測也取得了成功。
圖4. 無創監測汗液光學可穿戴生物傳感器。
近年來，無創監測對現代醫學的發展提出了新的挑戰，生物傳感在無創檢測領域大放異彩，科研工作者們已經開發出包括尿液（圖4）、淚液（圖5）等各種體液的可穿戴生物傳感器，比如，有些生物傳感器能從你的汗水中讀取化學信息，監測身體在運動過後的反應。再比如，有着「鍍金條形碼」模樣的電子紋身可以通過靜脈監測血液中熱能的流動情況，以此觀察血管對溫度變化的反應，從而監測心血管健康。
圖5. 無創監測淚液可穿戴生物傳感器。
圖5. 無創監測淚液可穿戴生物傳感器。
生物傳感在不同領域的應用進步，不禁讓人好奇，再過十年，我們的生活會發生怎樣的變化呢？或許在人工智能2.0時代的今天，人工智能高強度、高密度融入我們世界的同時，可穿戴設備、智能感知將再一次把「生物傳感器」研究推向新的高峰，我們真的會擁有電影《Her》中那樣貼心的人工智能系統，理解、認同並服務你的需求，甚至可以與我們分享細膩的情緒感受！
導師簡介
馬榮娜，女，博士，副教授，碩士研究生導師，2014年於南京大學獲博士學位。主要從事分析化學相關教學與研究工作，主講《大學化學》等課程。研究工作致力於新穎的生物傳感新原理、新方法的設計及其疾病精準診斷應用。主持完成國家自然科學基金等各類基金項目5項，科研成果獲山東省高等學校科學技術三等獎1項，聊城大學自然科學一等獎2項，二等獎2項。在中國科學：化學、 Analytical Chemistry、 Chemical Communication等國內外知名學術期刊發表SCI收錄研究論文30餘篇。指導研究生獲國家獎學金、山東省科技創新成果獎、聊城大學優秀碩士論文、聊城大學優秀畢業生等榮譽，指導多名本科生開展國家級大學生創新項目研究。
招生專業：分析化學
