手机，尤其是智能手机（smart phone），无疑是目前最能代表科技发展活力的领域。而手机中的传感器应用，也无疑一直都是手机相关通信及其他功能的最为有力的保障技术之一。现如今，一些厂家的新款机型的发布，也都是伴随着一些新的传感检测功能的实现而横空出世的。从现在来看，手机上实现心率测试、血压检测，当然也包括我们的运动状态检测，一点都不是什么新鲜事。而这些检测，更多地都是集中在一些物理参量的检测，以及生理信号的检测。对于生化检测，即生物化学类的检测，还是触及较少。

把手机视为一个可以进行生化分析的利器，其初衷便是出于利用智能手机高速的分析处理能力、高清的图像采集装置和优秀的人机交互界面，尤其是其所能提供的完善的互联网服务。而尤其强调的一点，就是其强大的用户普及率。如果我们不要忘掉即时检测的初衷，那么会更容易理解何以要在手机上实现生物化学的传感检测。对于周围环境的现场检测，对于我们自身健康状况实时实地的检测，手机完全可以说是“舍我其谁”！

基于智能手机的电化学传感系统由于其便携、准确和定量的特点引起了广泛的关注与研究。尤其是该系统在POCT 中的发展潜力，使得面向POCT 的智能手机电化学传感器日趋增加。总的来讲，智能手机电化学传感POCT 现在主要分两个大方向：一个是面向日常的健康管理，包括个人健康管理与环境管理；另一个是与临床结合面向诊疗的长时监测，其研究重点集中在慢病和传染病这两种影响范围广、容易恶化且致死率高的疾病的检测和监测上。因此，下面将以健康管理、传染病检测、慢病监测等方面为例来介绍智能手机电化学传感POCT 的发展。

健　康　管　理

健康管理（managed care）是指对个人或人群的健康危险因素进行全面管理。其中，个人的健康管理包括对日常人体生理参数的检测和对其易患疾病的监测预警，而人群健康危险因素则主要指对外界环境的监测。健康管理是POCT 技术的重要应用领域，基于POCT 技术的健康管理能够让人们随时随地掌握自身的健康情况，对疾病实现早发现、早诊断、早治疗，从而遏制恶性疾病的发生及恶化。面向健康管理的智能手机POCT 设备其实已经出现，即各大电子公司争先恐后发布的各种运动手环等可穿戴设备（wearable devices）。可穿戴设备设计的主要目的是制造可以直接穿上身的、方便数字化检测和存储的、便携式的诊疗设备，以实现对人体长时健康状况的记录及慢病、传染病等疾病的日常监测预警。其与智能手机配套使用，已经能够进行运动监测、体重管理、脉搏和血氧饱和度等生理参数的实时测量、健康数据云端存储和远程医疗诊断等多种个性化随身医疗健康体验。

由于智能手机电化学传感检测技术的便携、实时、定量、精准等特性，健康管理成为其最初也是最重要的应用之一。加州大学圣地亚哥分校（University of California，San Diego）的Imani 等在Nature 上报道了一种用于实时健康监测的可穿戴式化学和电生理检测技术集成的生物传感系统，包含一个利用三电极电流法检测乳酸盐的生物传感器和一个两电极的心电传感器，如 图1 所示，利用柔性基底共同结合成一件类似背心的紧贴皮肤的可穿戴设备。人体实验证实可以用该设备同时进行生化和电生理的检测，再通过蓝牙模块将检测的生理数据传输到手机，以进行数据分析处理及存储，即可实现个人的健康管理。随着人类基因库的建立及其在日常生活中的逐步推广应用，健康管理还涉及基于基因的个性化管理，包括个性化基因存储和识别、通过基因识别来预测个人患病的类型及概率、通过基因对比鉴定亲缘关系等，这些功能不仅能完善个性化医疗体系，还能够在其他领域（如司法领域）等发挥作用。

图1　可穿戴式生化-电生理集成传感系统

另外，针对人群的健康危险因素进行的基于手机的环境监测等健康管理相关设备也随着全球环境的日益恶化而被提上研发日程。普雷里维大学（Prairie View A & M University）的Jafari 等基于手机和商业化的集成传感器完成了对测试者所处位置的坐标、温度、湿度、气体含量、气压、空气质量等指标的实时监测，如 图2 所示。其采用的传感器集成了电化学传感等多种传感技术，可以完成精准的气体含量检测、温湿度检测、压力检测、光检测及红外检测等，其检测的数据通过蓝牙传送给智能手机，并通过内置APP 进行数据处理与公式推算，进而在手机上给出一份空气质量报告。智能手机还可将检测的定点环境数据通过网络传输到网上的数据库，进而可以集中不同地点、不同时间的环境质量情况，方便全国甚至全球范围内的环境定时定点监测，避免对环境质量监测不全面的情况。

图2　一种智能手机环境监测设备

尽管如此，基于智能手机的健康管理最重要的应用还是对于疾病的检测和监测，这也是POCT 现阶段的重要目标。而目前重要的疾病检测主要分为两大类，即传染病检测和慢病检测。因此，下面将重点介绍基于智能手机的电化学传感设备用于传染病和慢病的POCT 检测。

传　染　病　检　测

现在，传染病仍是全球主要致死疾病之一，其最主要的三种病原体分别为病毒（如艾滋病）、寄生虫（如疟疾）和细菌（如结核杆菌）。据世界卫生组织（WHO）统计，截止到2012 年，全球致死率的70%都是由三大传染病（艾滋病、肺结核和疟疾）引起的。传染病可以通过多种多样的方式进行感染，极易随着感染者的活动而大量散播，进而引起疾病的大规模爆发，为医疗保健系统带来巨大的压力。其中一些疾病（如艾滋病）至今仍没有很好的治疗方案，如不能得到及时的诊断与隔离，任其大规模传播，将会引发无法估计的后果。事实上，如果能及时发现这些传染病，并在其早期阶段进行隔离治疗，则将会极大地降低传染病带来的危害，减少医疗成本，并且增大治愈率。因此，POCT 技术在传染病检测中的应用就显得十分重要。尤其是，为了实现全球传染病早期的精准诊断，需要满足以下几个条件：成本低、易于获取及操作、紧凑便携，以及质量和准确性有保证等，而基于智能手机的电化学生物传感检测技术有望满足这些需求。

图3　基于智能手机的电流型生物传感系统

(a) 基于智能手机的电化学生物传感系统的原型机照片，箭头所指为微流控芯片；(b) 微流控芯片大小展示；(c) 微流控芯片的放大图，片上各部分均已标出，且通道内填充了染料以清楚显示芯片内部结构；(d) 生物修饰后的微流控芯片对镰型疟原虫的富组氨酸蛋白2 的检测原理

首个基于智能手机的电流型生物传感系统，即为一个智能手机电化学系统用于传染病床旁检测的典型案例，可用来便携检测疟疾生物标志物—镰型疟原虫的富组氨酸蛋白2（Plasmodium falciparum histidine-rich protein 2，Pf HRP2）。如 图3 所示，该系统由智能手机、嵌入式手持电路以及生物修饰过的微流控芯片构成。这种一次性使用的微流控芯片被修饰了镰型疟原虫的富组氨酸蛋白2 的抗体，通过毛细作用对样品进行自主装载、运输及生物传感检测，提高了系统操作的简易性和便携性。芯片上生物传感过程传出的信号通过嵌入式电路转化为电信号并传入智能手机进行分析及显示。智能手机还可以控制整个系统的生物传感检测过程，即智能手机既是芯片传出信号的读取器和显示器，又为远程通信及控制提供了平台。该系统能够对人血清中的镰型疟原虫的富组氨酸蛋白2 进行定量检测，其检测下限可达16ng/mL。利用该系统对传染病的生物标志物进行检测只需两步操作并等待15min 就可完成。

此外，加州大学圣地亚哥分校的Aronoff-Spencer 等于2016 年报道了一种基于智能手机的阻抗型生物传感平台用于检测丙型肝炎病毒核心蛋白的抗体。工程改造过的酵母细胞表面可生成大量的丙型肝炎病毒核心蛋白，进而可以捕捉溶液中修饰有碱性磷酸酶（ALP）的相应抗体，并将溶液中的正氨基磷酸苯酯（pAPP）转化为对氨基苯酚（pAP）。利用该原理，他们搭建了一个基于智能手机的电化学阻抗检测设备，通过外置电路实现对生物修饰过的印刷电极上产生的电化学信号的接收和转换，而智能手机则实现对外置电路的供电，对电化学检测过程的控制及对数据的接收、分析和显示，这两部分通过手机的音频口直接相连。当将含有丙型肝炎病毒核心蛋白抗体和pAPP 的溶液滴加到修饰有工程改造过的酵母细胞的印刷电极上时，发生的氧化还原反应可被检测到并显示在手机上，如 图4 所示。

图4　基于智能手机的电化学阻抗检测生物传感平台用于检测肝炎病毒核心蛋白的抗体

随着基于智能手机和其他便携设备的传感检测技术的不断发展，以及传染病频发给医疗健康带来的压力，传染病测试设备已成为全球医疗健康设备市场增长最快的领域。据估计，截止到2020 年，全球性传播疾病检测市场可达1670 亿美元，预示着基于智能手机的电化学生物传感技术在传染病POCT 中的应用价值。

慢　病　监　测

医疗健康领域科学技术的进步极大地提高了人们的生活质量。然而，目前慢病（如心脏病、中风、癌症、慢性呼吸系统疾病和糖尿病等）仍是全球非正常死亡的主要诱因，约引起全世界60%的人口死亡。另外，由于人类寿命的延长及生育力的下降，几乎每个国家60 岁以上的人口都在增长，这就导致慢病患者的激增。伴随着高昂的医疗成本，人口增长及慢病频发对世界医疗保健产业造成了巨大的压力。现阶段，健康监测主要是在医院或医疗健康中心进行的，然而慢病的治疗需要的是一个长期的健康数据记录与预警。因此，为了满足这种日益增长的日常健康监测和健康管理的需求，许多研究机构、大学以及企业都致力于将基于智能手机的传感设备和成熟的IT 相结合来为POCT 提供服务。

糖尿病是慢病中发病率较高的几大疾病之一，是一种以高血糖为特征的代谢性疾病，可能由遗传因素或环境因素导致，对人体危害大且尚无根治方法，只能依靠多种治疗手段进行监测与控制。因此亟须基于POCT 技术的糖尿病监测设备以便进行日常血糖或尿糖的监测。2014 年哈佛大学的Nemiroski 等报道了一个基于手机的“通用的”电化学检测系统。该系统包含一个自制的三电极稳压器，用来切换稳压器两电极和三电极模式的数字开关，一个用来混合流体的小型振动电机，一个用来设置参比电极和工作电极电压的双通道数模转换器，一个用来采集数据的单通道模数转换器，一个使设备运行的微控制器，一个用来供电的3.7V 的锂电池工作模块和一部用来控制检测、接收和显示数据的手机。这个系统可以用来实施所有常规的与电流相关的电化学方法，称为“uMED”。研究者利用该系统测量了多种血样中的血糖含量，具体操作步骤如 图5 所示。将其与商业化血糖仪的检测结果相比，发现该系统能显示出浓度依赖特性和类似商业化血糖仪的稳定性，可以进行50～500mg/dL 浓度范围内血糖的测量。

图5　uMED 用来测血糖的操作示意

(a)、(b) 利用指尖采血法进行个体血液样本收集并将样本与uMED 的检测口充分接触；(c) 检测完成后检测的初步结果会显示在检测器上并向手机传送数据；(d) 与检测器相连的手机即可通过音频口接收检测数据，并通过拨号的方式将该数据发送至医疗中心的服务器端进行诊断；(e)、(f) 远程端APP 显示，自动记录检测数据到个人医疗信息库并反馈诊断结果给手机终端；(g)、(h) 个体用户接收的诊断结果

据估计，截止到2017 年，血糖监测的全球市场可达122 亿美元，占据最大的POCT 市场份额；而预计截止到2020 年，全球癌症诊断市场可达1686 亿美元。由此可以推断基于智能手机的传感检测具有十分广阔的应用前景。

《基于手机的电化学生物传感技术》

作者：刘清君

责编：陈静，邢宝钦

北京：科学出版社，2017.6

ISBN：978-7-03-052981-7

随着智能手机的日益普及，其高速的分析处理能力、高清的图像采集装置和优秀的人机交互界面，尤其是其所能提供的完善的互联网服务，都已使得智能手机逐步成为了与便携式传感技术相结合的研究热点，可望成为一个全新的面向用户个体的移动检测新平台。《基于手机的电化学生物传感技术》基于研究者在该领域的多年探索，针对电化学传感检测在智能手机上的实现进行了系统介绍。在对电极材料、嵌入式系统开发、APP编写等手机检测共性技术介绍的基础上，对基于智能手机的电化学阻抗谱检测、电化学循环伏安检测、电化学发光检测、近场通信（NFC）传感检测，以及光电联用传感检测等方法进行了集中介绍，最后对该技术在即时检测领域的应用进行了评述与展望。

（本期责编：李文超）

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