張先恩

中國科學(xué)院生物物理研究所 生物大分子國家重點實驗室 中國科學(xué)院生物大分子卓越中心 北京 100101

生物傳感發(fā)展 50 年及展望*

張先恩

中國科學(xué)院生物物理研究所 生物大分子國家重點實驗室 中國科學(xué)院生物大分子卓越中心 北京 100101

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、疾病診斷與護理、環(huán)境監(jiān)測、生物過程控制中發(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x予生物傳感和器官芯片新的動力，兩者融合發(fā)展，對生命科學(xué)發(fā)展和大健康事業(yè)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(guān)管理部門及社會公眾對于該領(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。

生物傳感器是由生物元件與物理和化學(xué)換能器件構(gòu)成的分析裝置，屬于典型的交叉學(xué)科和匯聚技術(shù)。生物傳感器具有快速、準(zhǔn)確、簡便的特點，并借助微陣列平臺技術(shù)（生物芯片）實現(xiàn)了高通量分析，在生命科學(xué)研究、疾病診斷和監(jiān)控、生物過程控制、農(nóng)業(yè)與食品安全、環(huán)境質(zhì)量監(jiān)控、生物安全與生物安保等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。經(jīng)歷 50 年后，生物傳感進入一個新的蓬勃發(fā)展階段，主要驅(qū)動因素是大健康、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等概念的提出與實施；研究熱點包括穿戴式和便攜式，即時檢測（POCT）、無創(chuàng)分析、活體測定、在線檢測、現(xiàn)場監(jiān)測、超高時空分辨和單細(xì)胞生物學(xué)應(yīng)用等。不同的應(yīng)用場景存在不同的技術(shù)難題，其中生物元件的穩(wěn)定性是共性問題，尚待攻克。中國學(xué)者在生物傳感領(lǐng)域的研究論文影響力總體上已經(jīng)進入國際第一方陣，下一步目標(biāo)是學(xué)術(shù)上實現(xiàn)卓越和引領(lǐng)，并大幅提升全球市場開發(fā)能力，貢獻大健康。

生物傳感，大健康，穿戴式，無創(chuàng)分析，活體測定，分子生物傳感，納米生物傳感，高時空分辨

DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.2017.12.001

20 世紀(jì) 60 年代，美國學(xué)者電分析化學(xué)專家 Leland C. Clark Jr 提出，對生物化學(xué)物質(zhì)的測定，能否像 pH 電極那樣便捷？這導(dǎo)致了酶電極（enzyme electrode）即第一個生物傳感器（biosensor）的問世[1-3]。半個世紀(jì)以來，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、生物過程控制、農(nóng)業(yè)與食品安全、環(huán)境監(jiān)測與污染控制、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）。

表1 生物傳感技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域

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?，生物傳感以其合適的技術(shù)特色，面臨新的發(fā)展機遇。通過百度網(wǎng)站搜索“生物傳感器”，獲得 300 多萬條結(jié)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(fā)展歷程，介紹中國學(xué)者的學(xué)術(shù)貢獻，并討論當(dāng)前發(fā)展熱點及技術(shù)挑戰(zhàn)。

1 發(fā)展階段及特點

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。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)用場景，奠定了生物傳感領(lǐng)域發(fā)展框架（圖 1）。

此間有 3 個標(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)大會召開，以后每兩年舉行 1 次，成為生物傳感領(lǐng)域的學(xué)術(shù)盛會。這 3 個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芯片促進大規(guī)模商業(yè)化

圖1 生物傳感發(fā)展階段及特征示意圖

（1）第二代酶電極獲得商業(yè)化成功。 20 世紀(jì) 80 年代，美國 YSI公司（Yellow Spring Instruments Inc.）實現(xiàn)了酶電極在食品發(fā)酵行業(yè)的商業(yè)化應(yīng)用。然而，早期的酶電極在進一步普及應(yīng)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(zhì)干擾，而且，樣品中本底氧濃度變化也會產(chǎn)生背景噪聲。由此，英國學(xué)者 Cass 等[4]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)，實現(xiàn)了酶電極的規(guī)?；苽洹Ｐ略砼c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“用過即扔”（disposable）的一次性使用商品。該技術(shù)首先用于血糖測定，迅速在醫(yī)院普及，并廣泛用于高血糖患者居家監(jiān)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(xué)研究和藥物開發(fā)中，廣泛需要測定（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，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分子的相互作用而發(fā)生漂移，并呈相關(guān)性。測定過程能夠動態(tài)監(jiān)測，無須標(biāo)記樣品、監(jiān)測靈敏度與放射性免疫相當(dāng)。基于該原理的瑞典 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，F(xiàn)orteBio 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）[6]。該方法具有低成本和較高通量的特點，迅速獲得普及應(yīng)用，并與 SPR 生物傳感形成競爭態(tài)勢。

（3）DNA芯片實現(xiàn)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-ona-chip）和檢測芯片。其中檢測芯片可以被認(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，其微陣列密度高達每平方厘米數(shù)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(xué)研究的重要工具[7]。美國 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。

根據(jù)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(yù)計到 2020 年將分別達到 225 億和 184 億美元，復(fù)合年增長率為 9.7% 和 31.6%[8,9]，屆時總市場規(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，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[10]。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到納米尺度時，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，能夠稱量一個病毒的重量（9.5×10-15g）[11]。又如，半導(dǎo)體量子點，在同一個激發(fā)波長條件下，發(fā)射光頻率會隨量子點尺寸的改變而變化，通過調(diào)節(jié)量子點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[12]，適合于長時程觀察，目前已在生命科學(xué)研究和疾病檢驗方面獲得廣泛應(yīng)用。

蛋白質(zhì)和 DNA 等生物大分子是天然的納米材料。它們通過自組裝，在細(xì)胞內(nèi)形成結(jié)構(gòu)精巧、功能獨特的生物傳感網(wǎng)絡(luò)和分子機器系統(tǒng)，保證新陳代謝的有序進行。認(rèn)識它們的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和運作機理，對于深入理解生命現(xiàn)象有重要幫助。不僅如此，基于獲得的知識，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)過程和重大疾病發(fā)生發(fā)展過程的研究。納米生物傳感目前已經(jīng)有大量研究報道，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（Clarivate Analytics）統(tǒng)計，自 2010 年以來，生物傳感相關(guān)論文 6 萬多篇中，納米生物傳感或采用納米技術(shù)的生物傳感的論文達到 58%。

2 中國學(xué)者的影響力

2.1 論文貢獻已進入世界第一方陣，指標(biāo)領(lǐng)先

中國學(xué)者在生物傳感領(lǐng)域進步十分顯著。用“Biosens*”（生物傳感*）作為關(guān)鍵詞檢索 Web of Science文獻數(shù)據(jù)庫發(fā)現(xiàn)，1990 年中國學(xué)者在國際上發(fā)表的相關(guān)論文數(shù)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(lǐng)先于其他國家（圖2a），歷史論文總數(shù)已經(jīng)與美國持平。此外，在高影響力論文中，中國學(xué)者的高被引論文數(shù)和熱點論文數(shù)分別居第 1 和第 2 位（圖 2b）?？梢?，無論是論文總量的貢獻，還是高影響力論文的產(chǎn)出，中國學(xué)者已經(jīng)處在世界第一方陣。

2.2 學(xué)術(shù)上尚待實現(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)并非說明中國學(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學(xué)者建立的。近些年，中國學(xué)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(shù)也就比較多；（3）納米技術(shù)在中國迅速發(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(shù)有關(guān)。

生物傳感轉(zhuǎn)化應(yīng)用與市場開發(fā)方面，中國起步晚于歐、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)在國內(nèi)食品發(fā)酵行業(yè)廣泛應(yīng)用，市場占有率達 90% 以上①史建國，個人通訊，2017；部分國產(chǎn)血糖儀產(chǎn)品如三諾、怡成等已進入國內(nèi)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?？傮w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(dǎo)。

由此可見，中國要在生物傳感領(lǐng)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(xué)術(shù)和創(chuàng)新上實現(xiàn)卓越與引領(lǐng)；二是重視轉(zhuǎn)化研究，聯(lián)手工業(yè)界，在全球市場開發(fā)方面有更大的作為。

圖2 中國學(xué)者在生物傳感領(lǐng)域發(fā)表的論文數(shù)和高影響力論文數(shù)（a）中國學(xué)者在生物傳感領(lǐng)域發(fā)表研究論文數(shù)量的國際比較；（b）中國學(xué)者在生物傳感領(lǐng)域發(fā)表高影響力論文數(shù)量的國際比較（2010—2017年）。根據(jù)Clarivate Analytics的Web of Science數(shù)據(jù)作圖（Keyword=Biosens*），其中2017年數(shù)據(jù)截至12月3日

3 當(dāng)前的研究熱點與技術(shù)挑戰(zhàn)

3.1 穿戴式生物傳感器及無創(chuàng)測定

穿戴式傳感器系統(tǒng)能夠?qū)崟r地產(chǎn)生個體生命參數(shù)，這有兩個方面的意義。（1）微觀方面。實時測定疾病標(biāo)志參數(shù)，并通過手機等發(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、個體化醫(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、治療與控制進入智能化時代。生物傳感及生理傳感系統(tǒng)與手機聯(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。通過接受、存儲、管理和處理分析這些數(shù)據(jù)，可以對公眾健康狀況、疾病發(fā)生規(guī)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(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(nèi)，如何實現(xiàn)無創(chuàng)（non-invasive）測定成為主要挑戰(zhàn)。

人體生化、免疫等參數(shù)和疾病標(biāo)志物的測定一般要采集血液。對于一些需要日常監(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)檢測技術(shù)能夠有效地減少患者的痛苦，但無創(chuàng)測定技術(shù)仍然在探索中。主要有兩個技術(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[13]。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(xué)正在發(fā)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(shù)難題以外，測定結(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指標(biāo)[14]。

3.1.2 光學(xué)法

光學(xué)法是利用被檢測對象的光譜學(xué)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(jīng)進行了大量研究。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(jié)構(gòu)也因人而異，為獲得準(zhǔn)確的結(jié)果，還需要考慮個體建模。

以色列兩家公司分別通過大數(shù)據(jù)建模和機器學(xué)習(xí)，創(chuàng)建了兩種“學(xué)習(xí)法”測定血糖技術(shù)。CNOGA 公司產(chǎn)品 TensorTip CoG 設(shè)備具有 4 個發(fā)光二極管光源，可發(fā)送波長 600—1 150 nm 的光。當(dāng)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(guān)性。通過反復(fù)學(xué)習(xí)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(chuàng)地計算出血糖濃度。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(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)和建模必須考慮個體差異[15]，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(yīng)源于分子振動與轉(zhuǎn)動。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分子的無標(biāo)記測定。用拉曼光譜技術(shù)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(nèi)血液組分成為目前的研究熱點[16]。但如同中紅外和近紅外光譜法，拉曼光譜特征信號弱、經(jīng)皮測定信噪比高，準(zhǔn)確度和敏感度受到影響，而且儀器昂貴，暫時難以實際應(yīng)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(biāo)生物分子特定發(fā)色基團的振動，從而大大提高檢測靈敏度。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)備無疑具有重要的價值和發(fā)展?jié)摿?。相關(guān)技術(shù)上的突破，將帶來醫(yī)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(jīng)活動示蹤、腫瘤靶標(biāo)的體內(nèi)識別、疾病或健康標(biāo)志物的體內(nèi)濃度測定等。由于體內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜性，對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，測定裝置的微型化，無創(chuàng)測定等。

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)傳遞在動機、學(xué)習(xí)、認(rèn)知和運動調(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(guān)聯(lián)[17]。體內(nèi)測定多巴胺有 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 分鐘的時間滯后。（2）正電子發(fā)射斷層掃描法（PET），屬于無創(chuàng)法，但設(shè)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(chuàng)法，測定適時。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[18]、DNA 修飾電極[19]、適配子（Aptamers）修飾電極[20]、分子印跡物（MIPs）修飾電極[21]等。采用納米材料可以進一步實現(xiàn)微創(chuàng)分析[22], 高時空分辨和抗電極活性物質(zhì)干擾是主要研究方向。

已經(jīng)報道的其他體內(nèi)測定和示蹤的對象還有 NO（自由基信使分子）[23]、乙醇與乙醛（神經(jīng)活性劑）等[24]。

光遺傳學(xué)（Optogenetic）技術(shù)也有可能用于發(fā)展活體測定的生物傳感。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(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 信號通路。通過光激發(fā)和去光激發(fā)，實現(xiàn)細(xì)胞信號的調(diào)制[25]，從而監(jiān)視體內(nèi)神經(jīng)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(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。目前廣泛應(yīng)用的分子傳感器主要有4類：分子信標(biāo)（MB）[26]、熒光能量轉(zhuǎn)移系統(tǒng)（FRET）[27]、生物發(fā)光能量轉(zhuǎn)移系統(tǒng)（BRET）[28]和雙分子熒光互補系統(tǒng)（BiFC）[29]。它們通過自身的構(gòu)象變化、光反應(yīng)及光學(xué)活性變化來指示靶標(biāo)生物分子在活細(xì)胞中的定位、運動和分布、分子之間相互作用、分子構(gòu)象變化、酶活性檢測、細(xì)胞及亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)對環(huán)境變化和外生化合物作用的響應(yīng)等[30]。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[31]，這是傳統(tǒng)的生物傳感器難以企及的，對生命科學(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)實現(xiàn)超高時空分辨的分子事件探測，仍然是挑戰(zhàn)。

3.4 生物反應(yīng)工程過程的在線監(jiān)控

生物反應(yīng)工程指通過規(guī)?；囵B(yǎng)微生物、植物或動物細(xì)胞來生產(chǎn)工業(yè)品、藥品或食品等的工藝過程。過程自動控制對提高生產(chǎn)率和節(jié)能環(huán)保有重要意義。已經(jīng)實現(xiàn)了物理和化學(xué)參數(shù)的檢測與控制，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)過程中從生物反應(yīng)器中采樣分析（又稱“離線分析”），或經(jīng)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(xué)手段構(gòu)建級聯(lián)（cascade）酶傳感器或全細(xì)胞代謝生物傳感系統(tǒng)，或許能夠解決這個問題[32]。生物參數(shù)的在線監(jiān)控是生物反應(yīng)工程過程實現(xiàn)全流程自動化的最后堡壘，亟待攻克。

3.5 生物傳感器與現(xiàn)場監(jiān)測

生物傳感設(shè)備因其便攜性和測定快速而十分適合現(xiàn)場應(yīng)用。應(yīng)用場景如：水體、土壤和大氣環(huán)境指標(biāo)（有機物、重金屬等）的測定，污水處理工藝過程控制指標(biāo)監(jiān)測，農(nóng)田肥力檢測，食品成分、添加劑及污染物的現(xiàn)場檢測，生物反恐現(xiàn)場偵檢，口岸檢疫及違禁化合物檢測，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，重癥患者的床邊即時檢測（point-of-care testing， POST）監(jiān)護等。隨著人們生活質(zhì)量的提升，相關(guān)需求越來越旺盛。

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）通過分子進化或蛋白質(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)定劑和保護劑，以延長貨架壽命；（4）利用模擬酶或分子印跡技術(shù)取代天然酶[33,34]，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，已在一些場合取代抗體用作分子識別元件[35,36]；（6）利用無機納米材料的類酶效應(yīng)來取代天然酶（主要是過氧化物酶），這是中國學(xué)者的創(chuàng)新性貢獻[37]。

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

在中國，隨著經(jīng)濟發(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，亞健康問題、食品安全問題、環(huán)境衛(wèi)生問題也為全社會所關(guān)注。為此，國家頒布了《“健康中國 2030”規(guī)劃綱要》，健康中國上升為國家戰(zhàn)略，推動大健康從概念走向?qū)嵤?，也因此使生物傳感研究獲得新的動力。生物傳感以其快速、準(zhǔn)確、便攜等諸多特點，在慢病監(jiān)護與管理、POCT、遠(yuǎn)程醫(yī)療與個體化醫(yī)療、食品安全與環(huán)境污染監(jiān)測等，將能發(fā)揮獨特的作用。為此，建議國家相關(guān)計劃和專項給予高度關(guān)注并加強部署。

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。

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

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Biosensors: 50 Years Development and Future Perspectives

Zhang Xian-En
（National Key Laboratory of Biomacromolecules, CAS Center for Excellence in Biomacromolecules, Institute of Biophysics,Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China）

Biosensors are the devices made of biological elements and physical or chemical transducers for fast and specific determination of biological or related substances, of which is a typical convergence technology. Biosensors have broad application prospects in life science research, disease diagnosis and control, bioengineering process control, agriculture and food security, environmental quality monitoring,biosafety and biosecurity, etc. 50 years after its birth, biosensor technology has entered a new phase of vigorous development. The main driving forces are the introduction and implementation of the concepts of One-Health, Internet of Things, and big data. Research hot topics include wearable and portable biosensing for point-of-care testing (POCT) and home care, noninvasive analysis, in vivo analysis, online analysis, field test, ultra-high temporal-spatial resolution, and single-cell biology. Technical challenges vary in different application scenarios, among which the thermal stability of biosensor recognition elements is a major concern, which is to be overcome by finding new solution. Literature statistics indicates that the Chinese researchers as a whole have made dramatic advances during the past two decades and now ranks top in terms of both paper number in total and the number of high impact papers. However, these do not mean that China is taking the lead in the field. Achieving academic excellence and exploring the global market will be the next goals for the Chinese researchers and industrial sector.

biosensors, One-Health, wearable, noninvasive, in vivo analysis, molecular biosensors, nanobiosensors, ultra-high temporal-spatial resolution

張先恩 中科院生物物理所研究員。1993年在中科院武漢病毒研究所晉升研究員，從事生物傳感器、納米生物學(xué)和分析微生物研究，發(fā)表論文240篇（SCI收錄200篇），出版生物傳感和生物芯片相關(guān)專著 3本。曾在科技部基礎(chǔ)研究司從事基礎(chǔ)研究宏觀管理。目前兼任中國生物工程學(xué)會副理事長，亞洲生物技術(shù)協(xié)會（AFOB）顧問和納米生物技術(shù)、生物傳感與生物芯片分會共同主席、亞太經(jīng)合組織（APEC）首席科學(xué)顧問會議中國代表（2013、2015和2016年）、國家“973”計劃專家顧問組副組長。2015年被加拿大Alberta大學(xué)授予名譽科學(xué)博士學(xué)位。E-mail: zhangxe@ibp.ac.cn

Zhang Xian-En Distinguished professor in the Institute of Biophysics, Chinese Academy of Sciences (CAS). He became a full professor in the Institute of Virology, CAS, in 1993, specializing in biosensors, nanobiology, and analytical microbiology, and has published about 240 peerreviewed papers and three books. He currently serves as the vice president of the Chinese Society of Biotechnology, co-chair of the Division of Nanobiotechnology, Biosensors and Biochips of the Asian Federation of Biotechnology (AFOB), executive chief editor of Chinese Journal of Biotechnology, editorial member or advisor for 6 other scientific journals. From 2002 to 2013, Dr. Zhang served as the director general of the Basic Research Department, Ministry of Science and Technology (MOST), dedicating himself to the macro management of science development in China. He has been serving as the Chinese representative of the APEC Meeting of Chief Science Advisors or Equivalents since 2013 (except for 2014) and deputy head of the Expert Advisory Group of the National “973” Program. In 2015, he was awarded an Honorary Doctor of Science Degree by the University of Alberta, Canada. E-mail: zhangxe@ibp.ac.cn

*資助項目：國家重點研發(fā)計劃納米專項（2017YFA020 5503），中科院重點部署項目（KFZD-SW-214）

修改稿收到日期：2017年12月5日