提到传感器你会联想到什么？会有突如其来的陌生感吗?事实上，传感器离我们并不遥远，可以说我们每个人身上都有“传感器”！“乱花渐欲迷人眼、暗香浮动月黄昏、酒阑更喜团茶苦、夜阑卧听风吹雨、吹面不寒杨柳风”，古人这些关于五感的诗词妙句，无一不是对传感器的精准诠释。

生物传感器是一种用于检测被分析物的分析设备，顾名思义，生物传感器是把生物成分和物理化学检测器结合在一起用于检测分析的设备（图1）。是由固定化的生物敏感物质作识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）、适当的理化换能器（如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等）及信号放大装置构成的分析工具或系统。目的就是为了把待分析物种类、浓度等性质通过一系列的反应转变为容易被人们接受的量化数据，便于分析。

图1. 生物传感器的组成

追溯生物传感的前世今生，可以追踪到17世纪，当时英国煤矿工人率先发现了一个秘密：金丝雀对于瓦斯浓度的敏感性远远高于人类。于是当煤矿工人下井时，便常常随手携带一个装有活体金丝雀的鸟笼，以探测矿井中的氧气浓度是否充足，确保生命安全。这被认为是人类历史上第一个气体传感器。而直到20世纪60年代，生物传感器之父Leland C. Clark提出：能否像pH电极那样便捷的对生物化学物质进行测定呢？才有了第一个生物传感器酶电极传感器的成功问世，基于其研究的葡萄糖传感器造福了数百万的糖尿病患者。半个世纪以来，随着生命科学、化学、物理、信息、材料、仿生等多学科原理和技术纷纷融入，生物传感已发展成为一门多学科渗透交叉的科学技术，因其选择性好、灵敏度高、分析速度快、操作简单、易实现自动化与集成化等特点，生物传感器的功能应用已拓展到活体测定、多指标测定、联机在线测定，在生物医学研究、环境监测与保护、食品检验检疫、生物标志物检测等领域显示出极具潜力的应用前景。

近年来，随着重大食品安全问题的频频爆出，食品安全问题引发人们越来越多的关注。生物传感器在食品成分、品质指标、食品微生物、农/兽药残留、食品添加剂、食品新鲜度、激素和非食用化学物质检测等方面便发挥了巨大的作用，为食品安全带来了保障。如食品工业中，葡萄糖含量是衡量水果成熟度和寿命的一个关键指标，目前已经开发的酶电极型生物传感器，即可用来分析苹果汁、果酱、蜂蜜中的葡萄糖（图2）。

图2. (a) 便携式农药残留传感器 (b) 葡萄糖分析仪

尤其在生物医学领域，生物传感器已发展成为生物医学科学和技术的尖兵，形成了智能化、微型化、多参数、实时检测和无创检测等全新的发展方向，并取得了一系列的技术突破，应用非常广泛。尤其是便携式生物传感设备的早期发展使其能够应用于广泛的疾病诊断和监测（图2）。

图3. 商业化便携式生物传感器的即时检测诊断。

比如商用早孕试纸，其基于比色原理，以检测受孕女性尿液中人类绒毛膜促性腺激素（hCG）实现对于早孕的初筛检查（图3a）。Home Health UK公司开发的8参数尿试纸条，可以检测患者尿液中包括酮、葡萄糖、，pH值等各种病理变化（图3b）。以及大家非常熟悉个人电子血糖仪，仅仅通过一滴血即可检测血液中葡萄糖的浓度（图3c）。且利用袖珍个人血糖仪的广泛可用性和低成本以及DNA适配体的选择性结合能力，伊利诺斯大学陆艺教授研究组开发了使用血糖仪量化非葡萄糖靶点的方法，可以实现可卡因、腺苷、结核病的γ干扰素（IFN-γ）和有毒金属离子等的传感（图3d）。除上述病例外，其他针对大肠杆菌O157、甲型和乙型流感病毒、幽门螺杆菌、人类免疫缺陷病毒、结核病和疟疾的商业检测也取得了成功。

图4. 无创监测汗液光学可穿戴生物传感器。

近年来，无创监测对现代医学的发展提出了新的挑战，生物传感在无创检测领域大放异彩，科研工作者们已经开发出包括尿液（图4）、泪液（图5）等各种体液的可穿戴生物传感器，比如，有些生物传感器能从你的汗水中读取化学信息，监测身体在运动过后的反应。再比如，有着“镀金条形码”模样的电子纹身可以通过静脉监测血液中热能的流动情况，以此观察血管对温度变化的反应，从而监测心血管健康。

图5. 无创监测泪液可穿戴生物传感器。

生物传感在不同领域的应用进步，不禁让人好奇，再过十年，我们的生活会发生怎样的变化呢？或许在人工智能2.0时代的今天，人工智能高强度、高密度融入我们世界的同时，可穿戴设备、智能感知将再一次把“生物传感器”研究推向新的高峰，我们真的会拥有电影《Her》中那样贴心的人工智能系统，理解、认同并服务你的需求，甚至可以与我们分享细腻的情绪感受！

导师简介

马荣娜，女，博士，副教授，硕士研究生导师，2014年于南京大学获博士学位。主要从事分析化学相关教学与研究工作，主讲《大学化学》等课程。研究工作致力于新颖生物传感新原理、新方法的设计及其疾病精准诊断应用。主持完成国家自然科学基金等各类基金项目5项，科研成果获山东省高等学校科学技术三等奖1项，聊城大学自然科学一等奖2项，二等奖2项。在中国科学：化学、 Analytical Chemistry、 Chemical Communication等国内外知名学术期刊发表SCI收录研究论文30余篇。指导研究生获国家奖学金、山东省科技创新成果奖、聊城大学优秀硕士论文、聊城大学优秀毕业生等荣誉，指导多名本科生开展国家级大学生创新项目研究。

**招生专业：**分析化学

来源: 聊城大学化学与生活科普工作室