生物傳感發展概述

編者按：生物傳感和器官芯片均屬于生物器件，是典型的交叉學科產物和匯聚技術。生物傳感已經發展了50年，在生命科學研究、疾病診斷與護理、環境監測、生物過程控制中發揮了重要作用。器官芯片則是近年發展起來的新興技術，是生物芯片新的發展方向，在新藥研發、毒理學研究和再生醫學等領域有重要應用前景。當前，大健康從概念走向實施，賦予生物傳感和器官芯片新的動力，兩者融合發展，對生命科學發展和大健康事業有重要意義。《院刊》特策劃了“生物傳感與器官芯片”專題，旨在進一步引起國家相關管理部門及社會公眾對于該領域的關注與重視。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推進。

張先恩

中國科學院生物物理研究所 生物大分子國家重點實驗室 中國科學院生物大分子卓越中心

20 世紀 60 年代，美國學者電分析化學專家 Leland C. Clark Jr 提出，對生物化學物質的測定，能否像 pH 電極那樣便捷？這導至了酶電極（enzyme electrode）即第一個生物傳感器（biosensor）的問世。半個世紀以來，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，使生物傳感發展成為一門典型的匯聚技術（convergence technology）。它被賦予若干特征——簡便、靈敏、快速、準確，因而在生命科學研究、疾病診斷與居家監護、生物過程控制、農業與食品安全、環境監測與污染控制、生物安全與生物安保、航天、深海和極地科學等領域展現出廣闊的應用前景（表 1）。

當前，隨著物聯網、大數據和大健康從概念走向實施，生物傳感以其合適的技術特色，面臨新的發展機遇。通過百度網站搜索“生物傳感器”，獲得300多萬條結果（這還不包括其衍生詞），儼然是一個科技熱詞。

本文將概述生物傳感的發展歷程，介紹中國學者的學術貢獻，并討論當前發展熱點及技術挑戰。

1 發展階段及特點

1.1 第一次發展高潮：各種物理和化學換能原理被采用，推動領域形成

20 世紀 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別元件，包括酶、抗體、核酸、細胞、組織片、微生物、完好（intact）生物器官（如動物神經觸角）等，多種生化和免疫物質（即環境化學物質）得以被快速檢測。另一方面，眾多物理和化學換能器（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量的轉換，包括電化學生物傳感、熱學生物傳感、半導體生物傳感（生物場效應晶體管）、光纖生物傳感、壓電、質量及聲波生物傳感等。這些新原理生物傳感模式各具特色，適合于不同的應用場景，奠定了生物傳感領域發展框架（圖 1）。

此間有 3 個標志性事件。（1）1985 年生物傳感專業刊物 Biosensors（ Elsevier出版）創刊，后更名為Biosensors & Bioelectronics（《生物傳感與生物電子學》），成為生物傳感領域的權威學術期刊。（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，至今仍被認為是生物傳感經典著作。（3）1990 年，首屆世界生物傳感學術大會召開，以后每兩年舉行 1 次，成為生物傳感領域的學術盛會。這 3 個事件意味著生物 傳感已經發展成為具有一定規模的研究領域。 Anthony Turner 教授主持了這 3 件事，發揮了重要作用。

1.2 第二次發展高潮：新原理生物傳感和DNA芯片促進大規模商業化

（1）第二代酶電極獲得商業化成功。20 世紀 80 年代，美國YSI公司（Yellow Spring Instruments Inc.）實現了酶電極在食品發酵行業的商業化應用。然而，早期的酶電極在進一步普及應用的過程中存在兩個主要難題：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干擾，而且，樣品中本底氧濃度變化也會產生背景噪聲。由此，英國學者 Cass 等用合成化學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現酶與電極之間的電子傳遞，解決了電極活性物質干擾和氧背景干擾的問題，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。受到電子行業印刷電路工藝的啟發，英國克蘭菲爾德大學（Cranfield University）的專家們引入了絲網印刷技術，實現了酶電極的規模化制備。新原理與新技術的結合，成功地解決了上述難題，使生物傳感器成為“用過即扔”（disposable）的一次性使用商品。該技術首先用于血糖測定，迅速在醫院普及，并廣泛用于高血糖患者居家監護。

（2）表面等離子體共振（surface plasmon resonance，SPR）生物傳感器[5]廣泛用于生物分子相互作用研究。 在生命科學研究和藥物開發中，廣泛需要測定（生物）分子相互作用。在SPR 傳感器界面上，當入射光發生全內反射時，其光能與器件表面電子云發生共振，共振角度隨著器件表面的生物分子與待測分子的相互作用而發生漂移，并呈相關性。測定過程能夠動態監測，無須標記樣品、監測靈敏度與放射性免疫相當。基于該原理的瑞典 Biacore 生物傳感儀（現屬 GE 公司）已經成為研究生物分子相互作用的有效工具和主導技術。然而，任何技術都有其生命周期。近 10 年來， ForteBio 公司推出另一種非標記技術——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，迅速獲得普及應用，并與 SPR 生物傳感形成競爭態勢。

（3）DNA芯片實現基因表達高通量分析。生物芯片（biochips）包括計算機生物芯片、芯片實驗室（lab-on-a-chip）和檢測芯片。其中檢測芯片可以被認為是生物傳感的高通量形式。 20 世紀 90 年代中期出現的 DNA 芯片，其微陣列密度高達每平方厘米數萬 DNA探針，可一次性地獲得全基因組的表達譜圖，從而成為生命科學研究的重要工具。美國 Affymetrix 公司是該領域的旗艦企業。在 DNA 微陣列芯片的基礎上，發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，廣泛應用于科研和臨床。源于清華大學的博奧生物等國內研究中心和企業也做出了系列的創新并成功開拓市場。

根據市場分析報告，2014 年，生物傳感和生物芯片的全球市場分別為 129 億和 39 億美元，預計到 2020 年將分別達到 2 2 5 億和 1 8 4 億美元，復合年增長率為 9.7% 和 31.6%，屆時總市場規模約為400億美元。

1.3 第三次發展高潮：納米技術被普遍用于提升生物傳感性能

21 世紀以來，納米技術的引入賦予了生物傳感許多新的特性，如高靈敏、多參數、微環境應用等。納米效應包括表面效應、小尺寸效應和宏觀量子隧道效應。當傳感器或傳感器組件達到納米尺度時，這些效應便不同程度顯現：在納米尺寸，傳感界面表面原子所占的百分數顯著增加，傳感器的靈敏度也獲得提高。小尺寸效應會導至光學性質、熱學性質、磁學性質、力學性質等發生變化。例如，半導體納米懸臂梁，能夠稱量一個病毒的重量（ 9.5×10^(-15)g）。又如，半導體量子點，在同一個激發波長條件下，發射光頻率會隨量子點尺寸的改變而變化，通過調節量子點尺寸可以獲得不同的發射顏色，這使得多靶標光學測定變得簡單。由于量子點比熒光染料和熒光蛋白的抗光漂白的能力要強得多，適合于長時程觀察，目前已在生命科學研究和疾病檢驗方面獲得廣泛應用。

蛋白質和 DNA 等生物大分子是天然的納米材料。它們通過自組裝，在細胞內形成結構精巧、功能獨特的生物傳感網絡和分子機器系統，保證新陳代謝的有序進行。認識它們的復雜結構和運作機理，對于深入理解生命現象有重要幫助。不僅如此，基于獲得的知識，構建納米生物傳感器，或與納米材料相結合構建雜合納米生物傳感器，特別適合于活細胞中生物學過程和重大疾病發生發展過程的研究。納米生物傳感目前已經有大量研究報道，也成為納米生物學和納米生物技術領域的重要研究方向。

據 Web of Science 數據庫（Clarivate Analytics）統計，自 2010 年以來，生物傳感相關論文 6 萬多篇中，納米生物傳感或采用納米技術的生物傳感的論文達到 58%。

2 中國學者的影響力

2.1 論文貢獻已進入世界第一方陣，指標領先

中國學者在生物傳感領域進步十分顯著。用“Biosens”（生物傳感*）作為關鍵詞檢索 Web of Science文獻數據庫發現，1990 年中國學者在國際上發表的相關論文數量僅占比 1%，2011 年開始超越美國位居首位，2017 年以來占比已超過 35%，大幅領先于其他國家（圖2a），歷史論文總數已經與美國持平。此外，在高影響力論文中，中國學者的高被引論文數和熱點論文數分別居第 1 和第 2 位（圖 2b）。可見，無論是論文總量的貢獻，還是高影響力論文的產出，中國學者已經處在世界第一方陣。

2.2 學術上尚待實現卓越與引領，成果轉化應有全球化視野

然而，上述數據并非說明中國學者已經處在領域的領導地位。迄今為止，各大類生物傳感原理均是由他國學者建立的。近些年，中國學者的高影響力基于 3 個主要原因：（1）研究水平整體提升，這毋庸置疑；（2）研究隊伍體量大，其中高水平人員及其原始性研究總數也就比較多；（3）納米技術在中國迅速發展和普及，新型的納米材料如石墨烯、碳納米管、量子點等對提升生物傳感器的性能有明顯作用，中國的高影響力論文大都與納米技術有關。

生物傳感轉化應用與市場開發方面，中國起步晚于歐、美、日。比較成功的如：山東科學院生物研究所的系列酶電極，已經在國內食品發酵行業廣泛應用，市場占有率達 90% 以上；部分國產血糖儀產品如三諾、怡成等已進入國內市場的十大銷售品牌行列；博奧基因芯片在疾病檢測方面已擁有一定的市場。總體而言，生物傳感與生物芯片的國際市場，仍由他國跨國公司主導。

由此可見，中國要在生物傳感領域進一步提升影響力，需要兩手抓：一是鞏固已有的成績，在學術和創新上實現卓越與引領；二是重視轉化研究，聯手工業界，在全球市場開發方面有更大的作為。

3 當前的研究熱點與技術挑戰

3.1 穿戴式生物傳感器及無創測定

穿戴式傳感器系統能夠實時地產生個體生命參數，這有兩個方面的意義。（1）微觀方面。 實時測定疾病標志參數，并通過手機等發射裝置將數據發送到醫療數據中心，有利于患者居家監護、個體化醫療和遠程醫療。（2）宏觀方面。 隨著大數據、云計算、物聯網等技術與互聯網的跨界融合，新技術與新商業模式使疾病的預防、診斷、治療與控制進入智能化時代。生物傳感及生理傳感系統與手機聯通作為智能終端，將成為健康醫療大數據不可取代的數據源。通過接受、存儲、管理和處理分析這些數據，可以對公眾健康狀況、疾病發生規律進行歸納分析，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的穿戴式傳感器系統已經開始普及。這些指標均可通過物理傳感器進行直接測定。而生物傳感器的測定對象都在體內，如何實現無創（non-invasive）測定成為主要挑戰。

人體生化、免疫等參數和疾病標志物的測定一般要采集血液。對于一些需要日常監控的代謝指標如血糖等，每日采血是一個不小的心理負擔和生理負擔，大多數患者因對采血的恐懼而放棄日常監控。極微量采血器和高靈敏生物傳感器組成的微創檢測技術能夠有效地減少患者的痛苦，但無創測定技術仍然在探索中。主要有兩個技術路徑：電化學酶電極方法和光學方法。

3.1.1 酶電極法

由于酶電極法難以經皮測定（percutaneous determination），研究者們試圖通過測定其他體液樣品來間接反映血液成分。例如，采用電流法或負壓法使皮
下組織葡萄糖滲出，再用酶電極測定；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定淚液葡萄糖；美國加州大學正在發展能測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難題以外，測定結果與血液中相應的物質濃度之間的相關性以及生理意義是主要的科學問題，需要開展大量的基礎與臨床研究。華中農業大學學者最近利用質譜法分析了汗液外泌體中生化物質的組分，有利于找到汗液中合適的健康或疾病檢測指標。

3.1.2 光學法

光學法是利用被檢測對象的光譜學特征進行測定，包括彈性光散射法、拉曼光譜方法、原位 SPR 法等。近紅外光譜測定血糖已經進行了大量研究。葡萄糖分子在近紅外區間有吸收峰，但與水分子、脂肪和血紅蛋白等吸收相互重疊，干擾嚴重，加上皮膚組織的光吸收和光散射大大減弱了本來就比較弱的葡萄糖光吸收信號。此外，皮膚和組織的厚度及結構也因人而異，為獲得準確的結果，還需要考慮個體建模。

以色列兩家公司分別通過大數據建模和機器學習，創建了兩種“學習法”測定血糖技術。 CNOGA 公司產品 TensorTip CoG 設備具有 4 個發光二極管光源，可發送波長 600—1150 nm 的光。當光通過手指，人體組織對光的吸收會使透過光改變顏色，用攝像傳感器檢測光譜的變化，同時采血測定血糖濃度，以建立血糖與光譜變化的相關性。通過反復學習和處理器的算法，對多達上億個色彩組合進行分析建模，最終能無創地計算出血糖濃度。另一款產品 Gluco Track 采用多模量方法，在耳垂部位測量超聲波、電磁和熱量的變化，來計算血糖濃度。由于血液生化標志物濃度一般都很低，加上皮膚厚度、組織結構等生物要素因人而異，學習和建模必須考慮個體差異，這或許會增加普及的難度。

拉曼光譜是一種非彈性散射模量，它的散射光波長不同于照射光波長，其效應源于分子振動與轉動。科學家已經獲得多種化合物分子的拉曼光譜表征數據和指紋圖譜。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分子的無標記測定。用拉曼光譜技術在體外測定血糖、尿糖、白蛋白等的含量已有不少報道，測定體內血液組分成為目前的研究熱點。但如同中紅外和近紅外光譜法，拉曼光譜特征信號弱、經皮測定信噪比高，準確度和敏感度受到影響，而且儀器昂貴，暫時難以實際應用。采用表面增強拉曼光譜（SERS）方法可以有選擇性地放大靶標生物分子特定發色基團的振動，從而大大提高檢測靈敏度。但該方法應如何在體內使用，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備無疑具有重要的價值和發展潛力。相關技術上的突破，將帶來醫療模式的深刻變化。

3.2 生物傳感器與活體測定

生物傳感器在活體測定方面具有重要意義。如神經活動示蹤、腫瘤靶標的體內識別、疾病或健康標志物的體內濃度測定等。由于體內環境的復雜性，對生物傳感器有特殊的要求，主要難題包括：體內環境和非特異性成分的干擾，測定裝置的微型化，無創測定等。

神經遞質（如多巴胺）是神經細胞分泌和傳遞給靶細胞的信息，它們調節人類行為和大腦功能。神經遞質的生物合成和代謝轉化異常，將導至嚴重疾病。多巴胺神經傳遞在動機、學習、認知和運動調節中起主要作用，其水平異常被認為與成癮行為、神經系統疾病（如帕金森病、阿爾茨海默病和亨廷頓氏病）、精神分裂癥和精神病關聯。體內測定多巴胺有 3 種方法：（1）微透析采樣+電化學法分析，屬于微創法，有約 20 分鐘的時間滯后。（2）正電子發射斷層掃描法（PET），屬于無創法，但設備昂貴，耗時長（40 多分鐘）。（3）熒光光纖光度法，需要植入，屬于微創法，測定適時。由于多巴胺本身是電極活性物質，電化學分析法是目前的主流技術，相關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一步實現微創分析, 高時空分辨和抗電極活性物質干擾是主要研究方向。

已經報道的其他體內測定和示蹤的對象還有NO（自由基信使分子）、乙醇與乙醛（神經活性劑）等。

光遺傳學（Optogenetic）技術也有可能用于發展活體測定的生物傳感。在神經調制的 G 蛋白偶聯受體（GPCR）信號過程中，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后產生構象變化，觸發GPCR信號通路。通過光激發和去光激發，實現細胞信號的調制，從而監視體內神經活動。這類光感受器可以歸為分子生物傳感器類。

3.3 分子生物傳感與細胞分子影像

分子生物傳感器是由DNA或蛋白質等生物大分子通過基因重組或DNA合成技術構成的傳感器，尤其適合細胞內分子事件的探測。目前廣泛應用的分子傳感器主要有4類：分子信標（MB）、熒光能量轉移系統（FRET）、生物發光能量轉移系統（BRET）和雙分子熒光互補系統（BiFC）。它們通過自身的構象變化、光反應及光學活性變化來指示靶標生物分子在活細胞中的定位、運動和分布、分子之間相互作用、分子構象變化、酶活性檢測、細胞及亞細胞結構對環境變化和外生化合物作用的響應等。分子生物傳感器與超分辨顯微系統相結合，能夠實現單分子事件的成像檢測，這是傳統的生物傳感器難以企及的，對生命科學研究意義重大。目前，超分辨成像是在固定細胞上完成的，活細胞條件下的分子事件探測分辨率剛剛突破顯微鏡衍射極限（200 nm），如何在活細胞內實現超高時空分辨的分子事件探測，仍然是挑戰。

3.4 生物反應工程過程的在線監控

生物反應工程指通過規模化培養微生物、植物或動物細胞來生產工業品、藥品或食品等的工藝過程。過程自動控制對提高生產率和節能環保有重要意義。已經實現了物理和化學參數的檢測與控制，但生物參數如生物量、代謝物、底物和產物的在線監測仍然是難題，主要障礙是生物元件不耐受生物反應器內部的高溫高壓滅菌環境。目前的監控方式是在生產過程中從生物反應器中采樣分析（又稱“離線分析”），或經過濾器做引流分析。此外，由于缺乏合適的酶電極，對微生物中間代謝物的檢測也比較困難。借鑒合成生物學手段構建級聯（cascade）酶傳感器或全細胞代謝生物傳感系統，或許能夠解決這個問題。生物參數的在線監控是生物反應工程過程實現全流程自動化的最后堡壘，亟待攻克。

3.5 生物傳感器與現場監測

生物傳感設備因其便攜性和測定快速而十分適合現場應用。應用場景如：水體、土壤和大氣環境指標（有機物、重金屬等）的測定，污水處理工藝過程控制指標監測，農田肥力檢測，食品成分、添加劑及污染物的現場檢測，生物反恐現場偵檢，口岸檢疫及違禁化合物檢測，特殊環境（如航空、深海、極地等）的生物和環境指標監測，重癥患者的床邊即時檢測（point-of-care testing，POST）監護等。隨著人們生活質量的提升，相關需求越來越旺盛。

3.6 生物傳感元件的穩定性研究

生物傳感元件的穩定性差仍然是其廣泛應用的最主要限制因素。目前有多種解決辦法：（1）通過分子進化或蛋白質工程方法提升生物元件的穩定性；（2）嗜極端環境生物的細胞元件通常穩定性較好，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定劑和保護劑，以延長貨架壽命；（4）利用模擬酶或分子印跡技術取代天然酶，它們的穩定性很好，但需要提升催化活性；（5）核酸適配子（aptamer）的穩定性優于蛋白質分子，已在一些場合取代抗體用作分子識別元件；（6）利用無機納米材料的類酶效應來取代天然酶（主要是過氧化物酶），這是中國學者的創新性貢獻。

4 結語：借力大健康和學科交叉，實現生物傳感研究的卓越與引領，并造福社會

在中國，隨著經濟發展，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擔。此外，亞健康問題、食品安全問題、環境衛生問題也為全社會所關注。為此，國家頒布了《“健康中國 2030”規劃綱要》，健康中國上升為國家戰略，推動大健康從概念走向實施，也因此使生物傳感研究獲得新的動力。生物傳感以其快速、準確、便攜等諸多特點，在慢病監護與管理、POCT、遠程醫療與個體化醫療、食品安全與環境污染監測等，將能發揮獨特的作用。為此，建議國家相關計劃和專項給予高度關注并加強部署。

生物傳感 50 年的持續發展，得益于生命科學、物理學、化學、材料科學和信息技術等多個學科交叉融合。如今，要滿足大健康發展的需求，生物傳感研究還存在一系列挑戰。新時期，合成生物學、人工智能、納米技術、大數據等新興學科領域的發展與融合，將可能產生新思想、新原理和新方法，促進生物傳感技術難題的解決，并提升生物傳感性能、賦予其新的功能和特性。

中國生物傳感研究將借助大健康發展的外部動力和新興與交叉學科發展的內在動力，實現學術上的卓越與引領，并造福社會。