合肥工業(yè)大學(xué) 信息工程系，安徽宣城 242000

一、前言

生物電催化系統(tǒng)基于生物實(shí)體，其催化涉及化學(xué)變化和電能之間相互作用的電化學(xué)過(guò)程。生物催化裝置或與酶、完整細(xì)胞、部分細(xì)胞或與組織相關(guān)，可用于不同用途，如發(fā)電、生物修復(fù)、化學(xué)合成和生物傳感，尤其是在生物傳感中的應(yīng)用，更是取得了商業(yè)（年?duì)I業(yè)額可高達(dá)130億美元）和學(xué)術(shù)雙豐收。

生物傳感器是一門(mén)集微電子學(xué)、材料科學(xué)、物理化學(xué)和生物技術(shù)等諸多學(xué)科于一身的交叉學(xué)科。目前傳感器類(lèi)型以電化學(xué)傳感器為主，在臨床診斷、食品分析、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。雖然與國(guó)際研究有一定差距，但國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的研究也發(fā)展迅猛，近十年平均每年約有600篇相關(guān)論文在國(guó)內(nèi)期刊發(fā)表，應(yīng)用范圍包括食品農(nóng)藥殘留、獸藥殘留、重金屬污染、生物毒素（尤其是黃曲霉素）、環(huán)境監(jiān)測(cè)和人體健康等[1-4]。

隨著社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展形勢(shì)，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注自身的健康，相關(guān)費(fèi)用也占很高比例。根據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）統(tǒng)計(jì)，美國(guó)衛(wèi)生保健支出占其GDP 18%以上，在歐洲占9.5%。所以目前國(guó)內(nèi)、外主要集中在生物傳感用于健康監(jiān)測(cè)方面的研究，因?yàn)樗兄诖蟠蠼档歪t(yī)療成本，提高人們的生活質(zhì)量。

本綜述聚焦于生物電催化系統(tǒng)在健康監(jiān)測(cè)中的生物傳感應(yīng)用，主要討論過(guò)去十年用于健康監(jiān)測(cè)的生物催化系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)和主要成就。

二、生物傳感器中的生物催化劑

在生物傳感器中，生物催化是指生物識(shí)別元件，通過(guò)化學(xué)相互作用并轉(zhuǎn)化為可檢測(cè)的電信號(hào)來(lái)識(shí)別目標(biāo)分析物。雖然各種識(shí)別元件已用于構(gòu)建生物傳感器，但酶是最早的而且還是目前最常用于生物傳感的識(shí)別元件[5]。電化學(xué)生物傳感主要使用的是一種特定酶類(lèi)，如氧化還原酶和氧化酶。由于酶的生物識(shí)別簡(jiǎn)單、成本相對(duì)較低，使得酶促生物電催化系統(tǒng)在復(fù)雜基質(zhì)（如生物體液和環(huán)境樣品）分析中幾乎是不可或缺的，因此它們?cè)诮】祽?yīng)用中極其重要，如果考慮到糖尿病的多發(fā)和葡萄糖氧化酶出色的催化特性，血液葡萄糖生物傳感器約占世界市場(chǎng)份額的85%就不足為奇了[6]。然而酶也有一些缺點(diǎn)，如生產(chǎn)和提純工藝復(fù)雜、壽命短以及由于酶的高度專(zhuān)一性導(dǎo)致其很難用于多組分分析物的分析。

微生物細(xì)胞是可用于生物傳感的另一類(lèi)生物催化劑，其催化作用是由細(xì)胞內(nèi)的酶來(lái)實(shí)現(xiàn)的。1911年首次報(bào)道了全細(xì)胞生物電催化作用[7]，但一直到1975年才將其應(yīng)用于生物傳感器，這種生物傳感器基于應(yīng)用帶有氧電極的木醋桿菌。因?yàn)樾盘?hào)生成類(lèi)似于酶促生物催化反應(yīng)，微生物生物傳感器的發(fā)展代表了酶電極概念的擴(kuò)展。

本質(zhì)上，應(yīng)用微生物細(xì)胞、部分細(xì)胞或組織的生物催化系統(tǒng)可以考慮為“酶包”[8]。全細(xì)胞的使用可以克服酶促生物電催化的一些不足之處，使用全細(xì)胞不要求酶的純化，可使生物催化系統(tǒng)更加穩(wěn)定，而且允許使用單個(gè)生物催化元件進(jìn)行多個(gè)分析物的檢測(cè)。然而與酶相比也有不足，如需要提供細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)和能量，信號(hào)生成速度慢以及缺乏特異性。當(dāng)然最后一點(diǎn)是微生物生物催化劑的優(yōu)點(diǎn)，也是它的不足，這主要取決于其用途。例如當(dāng)需要檢測(cè)海洋毒素或重金屬時(shí)[9,10]，使用全細(xì)胞就有其優(yōu)越性；但當(dāng)進(jìn)行復(fù)雜基質(zhì)中的葡萄糖或乳酸檢測(cè)時(shí)[11,12]，毫無(wú)疑問(wèn)使用酶更加有效。

生物電催化系統(tǒng)依賴(lài)生物催化劑和電極之間的電化學(xué)接觸。酶促生物電催化有可能間接通過(guò)電活性媒介，或者通過(guò)生物催化劑活性部位和電極之間的直接電子轉(zhuǎn)移（Direct electron transfer，DET），或者通過(guò)介導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移（Mediated electron transfer，MET）即人為將小分子引入系統(tǒng)，在酶和電極之間穿梭電子。全細(xì)胞利用相似機(jī)制完成電子轉(zhuǎn)移，DET是通過(guò)細(xì)胞外膜的細(xì)胞色素或通過(guò)特定的生物納米結(jié)構(gòu)來(lái)完成的[13,14]，而MET則是利用生物合成的氧化還原介質(zhì)（如黃素類(lèi)、吩嗪和醌類(lèi)）或化學(xué)的外緣介質(zhì)[15,16]。因?yàn)閭鞲衅鞯纳锖臀锢聿糠种g的電化學(xué)接觸會(huì)直接影響其分析性能，所以在設(shè)計(jì)用于生物傳感的新型生物催化系統(tǒng)時(shí)，要特別加以關(guān)注。

三、生物傳感器的發(fā)展趨勢(shì)

目前人們大多是在醫(yī)院進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)的，下一步是希望把生物傳感器用于家里、口袋里或手腕上來(lái)進(jìn)行相關(guān)監(jiān)測(cè)，其核心是在基因、蛋白和代謝水平上，快速、方便和容易測(cè)量人們身體的化學(xué)物質(zhì)、身體與周?chē)h(huán)境的互相作用以及人們的食物，這就要求下一代相關(guān)產(chǎn)品盡量小型化及完全集成平臺(tái)，如全印刷生物傳感器、集成采樣和穿戴式裝置等。

1、小型化

小型化是生物傳感器技術(shù)中一個(gè)最顯著的趨勢(shì)，具有許多優(yōu)點(diǎn)，如低成本批量生產(chǎn)、易于存儲(chǔ)和銷(xiāo)售、改善分析性能、可能制造多分析物的生物傳感器等。目前基于電化學(xué)轉(zhuǎn)換機(jī)制、陣列和芯片技術(shù)的進(jìn)步，使相關(guān)生物傳感器大大小型化。

（1）基于電化學(xué)轉(zhuǎn)換機(jī)制的生物傳感器

在所有小型化生物傳感器系統(tǒng)中，基于電化學(xué)轉(zhuǎn)換機(jī)制的產(chǎn)品是最成功的，考慮到成本效益、構(gòu)建和操作的便攜性和簡(jiǎn)單性，使其成為最有希望的發(fā)展方向。電化學(xué)生物傳感裝置包含一個(gè)電化學(xué)單元，通常由兩電極或三電極系統(tǒng)構(gòu)成，其中至少一個(gè)電極作為生物識(shí)別元件，一個(gè)作為電化學(xué)檢測(cè)器。電極很容易小型到微米或納米級(jí)別。電化學(xué)檢測(cè)器和控制儀表也能通過(guò)使用微加工和微細(xì)加工技術(shù)有效降低尺寸[17-19]。

（2）基于微電極陣列的生物傳感器

微電極陣列（Microelectrode array，MEA）包括單獨(dú)尋址電極或連接電極，連接電極的制造技術(shù)簡(jiǎn)單，但單獨(dú)尋址電極用于生物傳感器工藝更加具有優(yōu)勢(shì)，如高空間分辨率和可能用于多分析物的檢測(cè)。

首個(gè)基于MEA的生物傳感器于1994年問(wèn)世，葡萄糖氧化酶（glucose oxidase，GOx）等通過(guò)光刻固化于沉積在鉑陣列上的聚吡咯薄膜，在優(yōu)化條件下監(jiān)測(cè)所有三個(gè)傳感器的電流響應(yīng)?，F(xiàn)有類(lèi)似的固化酪氨酸酶的MEA生物傳感器可同時(shí)用于監(jiān)測(cè)環(huán)境中的多巴胺和兒茶酚，提高了敏感性和特異性。將心肌細(xì)胞培養(yǎng)在自組裝單層修飾的納米鉑電鍍MEA上，制備的便攜式8通道無(wú)線(xiàn)MEA系統(tǒng)對(duì)自然環(huán)境監(jiān)測(cè)，以及在海洋毒素、石房蛤毒素、短裸甲藻毒素等濃度增加的情況下，對(duì)心肌細(xì)胞電活動(dòng)進(jìn)行無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)，根據(jù)波尖幅度、發(fā)射率和50%尖峰電位持續(xù)時(shí)間等信號(hào)參數(shù)變化，進(jìn)行定量評(píng)價(jià)和毒理學(xué)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[20]。

（3）基于微帶電極陣列的生物傳感器

微帶電極陣列通常用于制作叉指陣列(Interdigital array，IDA)式生物傳感器。IDA 包含兩對(duì)工作電極，表示平行導(dǎo)電材料和交叉隔離的絕緣材料。其工作原理是在兩個(gè)電極上施加不同電壓，循環(huán)的氧化-還原產(chǎn)物的電催化反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致電流信號(hào)放大。同MEA相比，IDA主要優(yōu)勢(shì)在于其較低的檢出限。

Pavinatto等報(bào)道了一個(gè)金制IDA，直接在塑料基底上噴墨印刷制作柔性和全打印阻抗生物傳感器，采用面積大、產(chǎn)出高的凹版印刷法將含有酪氨酸酶的活性層沉積在印刷結(jié)構(gòu)上，用于葡萄酒和橄欖油中的多酚類(lèi)物質(zhì)檢測(cè)。特別注意的是優(yōu)化印刷條件以實(shí)現(xiàn)沉積小于100μm電極以及開(kāi)發(fā)含酶油墨凹版印刷技術(shù)[21]。

絲網(wǎng)印刷作為生產(chǎn)低成本電化學(xué)裝置的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)也適用于制造小型化的生物傳感器，因?yàn)榻z網(wǎng)印刷最小的尺寸大約為50～100μm，不足以制造微電極，因此，在創(chuàng)建微帶結(jié)構(gòu)時(shí)使用了交叉切割技術(shù)。Hart研究小組制造了微帶葡萄糖生物傳感器，采用絲網(wǎng)印刷含有氧化還原介質(zhì)和GOx的水基碳油墨，然后加絕緣層，將這種結(jié)構(gòu)垂直切割露出20μm厚、3mm長(zhǎng)工作電極的邊緣。該傳感器適用于連續(xù)加工-監(jiān)測(cè)，在葡萄糖消耗等情況下，通過(guò)切割有可能使自動(dòng)生物傳感器恢復(fù)[22]。

（4）芯片實(shí)驗(yàn)室

將生物電催化系統(tǒng)與微流體相結(jié)合用于研發(fā)小型化的集成在一個(gè)芯片上的實(shí)驗(yàn)室裝置，是生物傳感器技術(shù)一個(gè)新出現(xiàn)的領(lǐng)域。

Itoh等證明了一種便攜式的、基于液滴的微流體裝置可用于魚(yú)新鮮度的現(xiàn)場(chǎng)電化學(xué)測(cè)定， 標(biāo)記物為5'-三磷酸腺苷（Adenosine Triphosphate, ATP），固定在微電極Na fi on層的雙酶系統(tǒng)用于測(cè)量ATP濃度。在識(shí)別過(guò)程中，甘油首先由甘油激酶磷酸化形成甘油-3-磷酸，然后甘油-3-磷酸由磷酸氧化酶氧化，產(chǎn)生過(guò)氧化氫，從電流測(cè)定上來(lái)定量。該裝置的檢測(cè)結(jié)果與傳統(tǒng)高效液相色譜法的有良好的相關(guān)性[23]（見(jiàn)圖1）。

Matharu等研發(fā)了一種含有包埋辣根過(guò)氧化物酶的水凝膠微結(jié)構(gòu)的生物傳感器，用于檢測(cè)乙醇和抗氧化劑對(duì)肝細(xì)胞的影響，通過(guò)產(chǎn)生炎癥信號(hào)（如細(xì)胞因子和活性氧等），在對(duì)乙醇毒性觸發(fā)響應(yīng)中起關(guān)鍵作用。將 MEA 集成到一個(gè)微流體裝置上并以膠原蛋白修飾，可以促進(jìn)肝細(xì)胞的粘附性，肝細(xì)胞暴露于乙醇和過(guò)氧化氫氣氛中，然后通過(guò)循環(huán)伏安法監(jiān)測(cè)4h以上。加入乙醇之前將抗氧化劑和肝細(xì)胞一同培養(yǎng)，導(dǎo)致過(guò)氧化氫水平下降5倍，說(shuō)明該生物傳感器可用于監(jiān)測(cè)氧化應(yīng)激，因此可用于研究抗氧化劑的效果[24]。

未來(lái)由于微技術(shù)發(fā)展，有望進(jìn)一步降低小型化電化學(xué)生物傳感器的成本和大小，可以使用諸如聚合物和納米材料等新材料來(lái)制造微結(jié)構(gòu)。

不同領(lǐng)域研究成果的匯聚可能給生物傳感器技術(shù)更多的新方向。例如“智能塵埃”概念的延伸[25,26]，涉及到毫米級(jí)別分布式電子元件網(wǎng)絡(luò)，可以感知環(huán)境并在環(huán)境和使用者之間進(jìn)行通訊。

另外一個(gè)快速發(fā)展趨勢(shì)是智能手機(jī)技術(shù)和緊湊型電化學(xué)生物傳感器的結(jié)合[27]，所形成的產(chǎn)品有望促進(jìn)遠(yuǎn)程診斷和檢測(cè)的更多應(yīng)用，特別是在缺乏足夠醫(yī)療資源和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的發(fā)展中國(guó)家。例如AgaMatrix首次將商用電流型葡萄糖傳感器與手機(jī)實(shí)現(xiàn)了交互，并于2011年12月7日獲得了美國(guó)食品和藥物管理局510(k)許可，隨后由制藥巨頭賽諾菲(Sano fi Aventis)公司在2012年以 iBGStar app的方式上市。然而直到今天，大多數(shù)研究還只是將手機(jī)當(dāng)作基于光傳導(dǎo)機(jī)制的圖像設(shè)備來(lái)應(yīng)用，未來(lái)希望在用于電化學(xué)生物傳感器的智能手機(jī)平臺(tái)與RFID和近場(chǎng)傳輸系統(tǒng)的創(chuàng)新性適應(yīng)性上取得進(jìn)展。

盡管小型化生物電催化系統(tǒng)發(fā)展迅速，但具有高空間分辨率的微米和納米結(jié)構(gòu)上的生物識(shí)別元件的固定仍然是一個(gè)難題，對(duì)于多分析物裝置來(lái)說(shuō)尤其需要在傳感器電極和生物元件之間提供有效的電子轉(zhuǎn)移。另外一個(gè)難題是由電極大幅度減小到納米級(jí)別所帶來(lái)的，如批量運(yùn)輸有限、基線(xiàn)漂移相關(guān)的噪聲問(wèn)題以及在制造過(guò)程中需要更加先進(jìn)和昂貴設(shè)備。通常人們更關(guān)注小型化產(chǎn)品所具有的明顯優(yōu)勢(shì)，而對(duì)上述問(wèn)題有所忽略。使用微米傳感器而不是納米傳感器是一個(gè)比較好的折中辦法。為了進(jìn)一步改善微米傳感器的分析性能并減小分析探針體積，開(kāi)發(fā)具有連續(xù)流的微米生物傳感器，而不是減小電極尺寸，將是一個(gè)好的解決辦法，因此未來(lái)將會(huì)有更多微流體與電化學(xué)生物傳感器結(jié)合的機(jī)會(huì)。

2、 紙質(zhì)設(shè)備

由于份量輕、價(jià)格便宜、環(huán)境友好、易印刷包裝、生物兼容及可一次性使用等特點(diǎn)，紙作為即時(shí)檢驗(yàn)（point-of-care, POC）設(shè)備的誘人材料又出現(xiàn)在人們面前。基于紙質(zhì)的分析設(shè)備有潛力將生物傳感器技術(shù)引入發(fā)展中國(guó)家的醫(yī)療診斷中，因?yàn)樗鼈兏鲜澜缧l(wèi)生組織有關(guān)發(fā)展中國(guó)家醫(yī)療診斷的“放心”理念：可負(fù)擔(dān)、敏感、特異、使用方便、快速和自動(dòng)、不需其他設(shè)備、可交付終端用戶(hù)等。

紙質(zhì)形式的比色檢測(cè)和橫向分析是一種很成熟的技術(shù)，如用于尿液葡萄糖檢驗(yàn)和女性孕檢。盡管這種裸眼可視化檢測(cè)操作簡(jiǎn)便、價(jià)格低廉，但對(duì)高靈敏度日益增長(zhǎng)的需求，特別是健康應(yīng)用中數(shù)據(jù)的傳輸?shù)龋瑢?duì)此檢測(cè)方法提出了挑戰(zhàn)，這促進(jìn)了紙質(zhì)設(shè)備檢測(cè)技術(shù)與儀器檢測(cè)技術(shù)的結(jié)合，如手機(jī)比色檢測(cè)、熒光、化學(xué)發(fā)光和電化學(xué)[28]。除了上述小型化電化學(xué)檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)外，紙質(zhì)裝置還有對(duì)周?chē)?、照明和串色不敏感以及與紙印刷技術(shù)高度兼容等優(yōu)點(diǎn)[29]。

自1995年Medisense (Abbott)公司生產(chǎn)第一只商用電化學(xué)葡萄糖傳感器以來(lái)，電化學(xué)紙質(zhì)分析裝置(Electrochemical paper-based analytical device，EPAD)中的生物電催化系統(tǒng)已用于多種健康應(yīng)用。將紙基平臺(tái)與電化學(xué)檢測(cè)結(jié)合主要有兩種策略：一種是使用印刷技術(shù)直接在紙質(zhì)上制作電極或通過(guò)濺射沉積金屬制作電極[30-32]；另一種是將含有固化生物識(shí)別系統(tǒng)的紙片安放在常規(guī)電極上（通常是絲網(wǎng)印刷電極[33]）。EPAD中微流體通道的制作常使用光刻、蠟印、浸蠟和蠟染等工藝，進(jìn)而形成電化學(xué)微流體紙質(zhì)分析裝置（Electrochemical microfluidic paper-based analytical device, EμPAD）。

Noiphung等介紹了一種結(jié)合血漿的紙片，放在絲網(wǎng)印刷碳電極上，用來(lái)檢測(cè)全血樣品中的葡萄糖，這種紙片呈啞鈴形，分成兩個(gè)區(qū)域——血漿分離區(qū)和浸蠟法形成GOx修飾的檢測(cè)區(qū)[34]。

Henry研究小組首次嘗試將微電極引入EμPAD，通過(guò)填孔制作微電極，采用激光雕刻技術(shù)，用碳糊制成聚酯薄片。為了保證電接觸，使肜“三明治”型雙電極配置中將工作電極與銀絲網(wǎng)印刷紙相結(jié)合[35]。

Whitesides研究小組證明了整合EμPAD與商用血糖儀的可能性。在色譜紙上制備EμPAD，由蠟染形成微流體通道，使用安培法測(cè)定用于分析人體血漿中的葡萄糖、膽固醇和乳酸以及水溶液中的乙醇。分析所需化學(xué)試劑或儲(chǔ)存在EμPAD檢測(cè)區(qū)，或與分析物混合儲(chǔ)存在單獨(dú)試管中。這種集成型裝置比商用測(cè)試條的精確度低，但進(jìn)一步改進(jìn)后可用于較便宜的POC設(shè)備[36]（見(jiàn)圖2）。

Beni等首次證實(shí)了全集成混合印刷電子（Hybrid printing electronics, Hy-PE）紙質(zhì)裝置用于電流測(cè)量的可行性，該方法將技術(shù)較為成熟與先進(jìn)的電化學(xué)生物傳感器與以簡(jiǎn)單制造技術(shù)生產(chǎn)的一次性設(shè)備集成起來(lái)，在常溫即可完成此類(lèi)系統(tǒng)的制作。儀器中集成了絲網(wǎng)印刷的二氧化錳電池與垂直電致變色顯示器。顯示器類(lèi)似紙，以反射模式工作，沒(méi)有背光照亮像素。這種集成生物傳感平臺(tái)可用于不同診斷系統(tǒng)，如電流式酶電極、電化學(xué)親和性分析和一般電解分析[37]。

紙質(zhì)分析裝置在POC診斷和資源有限的條件下可提供性?xún)r(jià)比較高的解決方案。然而紙基裝置缺乏堅(jiān)固性通常導(dǎo)致其在實(shí)際的應(yīng)用中性能不足。這主要有兩個(gè)不穩(wěn)定的原因，第一個(gè)是需要更為有效的方法固定生物識(shí)別元件以便在生物傳感元件和電極之間保持快速電子轉(zhuǎn)移；第二個(gè)是溫度和濕度對(duì)微流體通道中液體流動(dòng)力的影響而導(dǎo)致信號(hào)變化的問(wèn)題。此外低靈敏度是紙質(zhì)裝置的另一個(gè)缺點(diǎn)，最近有研究人員嘗試在EμPAD中結(jié)合納米材料和微電極來(lái)增加敏感性，中空通道EμPAD的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)有望擴(kuò)大可分析物的范圍[38,39]。

在POC診斷和監(jiān)測(cè)中對(duì)于價(jià)格低廉的集成平臺(tái)的需求，將進(jìn)一步促使價(jià)格便宜操作簡(jiǎn)單的便攜式電化學(xué)閱讀器、紙質(zhì)裝置、能量存儲(chǔ)裝置、晶體管和其他有源元件等的開(kāi)發(fā)取得突破。自供電生物傳感器或太陽(yáng)能電池與EμPAD結(jié)合將會(huì)降低成本，提高集成式紙質(zhì)裝置的敏感性[28,29]，生物分析與現(xiàn)代電通信結(jié)合是未來(lái)POC裝置的一個(gè)新主題。

3、穿戴式生物傳感器

過(guò)去十年有關(guān)穿戴式生物傳感器的開(kāi)發(fā)已吸引了許多關(guān)注，其逐漸普及也反應(yīng)了健康監(jiān)測(cè)的主要趨勢(shì)，即從基于醫(yī)院的專(zhuān)業(yè)護(hù)理系統(tǒng)轉(zhuǎn)向基于家庭的個(gè)人醫(yī)學(xué)。在用于心率、血壓、體表溫度、身體運(yùn)動(dòng)等人體參數(shù)的監(jiān)測(cè)上，穿戴式物理傳感器的開(kāi)發(fā)已取得了很大進(jìn)步[40]。然而用于監(jiān)測(cè)化學(xué)信息的穿戴式無(wú)創(chuàng)生物傳感器仍處于早期開(kāi)發(fā)階段，造成這種情況的原因有多種，比如難以獲得合適的樣本、低濃度分析物的檢測(cè)存在困難、樣品量少、生物傳感器存在污損及兼容性問(wèn)題等等[41]。

穿戴式電化學(xué)生物催化傳感器的體外監(jiān)測(cè)，可用于眼淚、唾液、汗液和皮膚組織液中的分析物監(jiān)測(cè)[41]。Parviz與合作者首次將GOx固定在隱形眼鏡上用于葡萄糖監(jiān)測(cè)，通過(guò)在聚合物基底上構(gòu)建微結(jié)構(gòu)來(lái)制作葡萄糖生物傳感器，然后再塑型為隱形眼鏡[42]。也有研究團(tuán)隊(duì)將生物催化識(shí)別元件整合進(jìn)類(lèi)似于紋身的電化學(xué)裝置中，實(shí)時(shí)檢測(cè)人在自行車(chē)運(yùn)動(dòng)期間汗液中的乳酸濃度[43]（見(jiàn)圖3）。

實(shí)現(xiàn)完全穿戴式生物傳感器的主要障礙是為傳感器和電子電路元件尋找合適的電源?；诿负臀⑸锏纳锶剂想姵兀˙iofuel cell，BFC）可利用穿戴者自身的能源，有望成為穿戴式生物傳感器的電源供給。

Sekretaryova等介紹了基于單一酶的自供電生物傳感器的概念。例如，在檢測(cè)全血漿中游離膽固醇時(shí)，陽(yáng)極和陰極都設(shè)在碳布電極上溶膠-凝膠中固化的膽固醇氧化酶，介導(dǎo)的生物催化膽固醇氧化為陽(yáng)極反應(yīng)，產(chǎn)生的過(guò)氧化氫的電催化還原作為陰極反應(yīng)[44]。

J?nsson-Niedziolka等制作了集成式自供電生物傳感器，BFC包括碳納米材料修飾的氧化銦錫陽(yáng)極，以及垂直排列的碳納米管或碳納米顆粒用于基于抗壞血酸氧化和膽紅素氧化酶的呼吸式陰極[45]。

電化學(xué)傳感器為穿戴式生物傳感器用于身體和環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了許多優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼈兡芎苋菀仔⌒突?，?zhí)行小體積樣品的高靈敏度分析，并可與紡織材料甚至直接與皮膚整合。

盡管在穿戴式生物傳感器開(kāi)發(fā)上取得了顯著進(jìn)展，但在制造功能化、實(shí)時(shí)、集成監(jiān)測(cè)裝置上仍有很多難題需要攻克。比如如何在穿戴期間保留生物識(shí)別系統(tǒng)的生物催化活性，如何將柔性生物電子與生物傳感器元件相結(jié)合。還有一個(gè)以前很少提及而現(xiàn)在越來(lái)越引起注意的研究方向——將電化學(xué)傳感器、電子器件、電源和無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)集成進(jìn)小型化裝置。最后一個(gè)是尋找無(wú)創(chuàng)分析中體液樣本不同分析物濃度與病人健康狀況之間的聯(lián)系。

進(jìn)一步開(kāi)發(fā)完全自動(dòng)化、易穿戴的穿戴式傳感器，要求印刷和柔性電子技術(shù)的提高，如人體傳感器網(wǎng)絡(luò)中的化學(xué)傳感器與電子皮膚的集成。直接從穿戴者身體的生物體液中獲得電能似乎是研究完全集成式穿戴生物傳感器的一個(gè)可行的方法，如基于BFC的自供電傳感器和邏輯門(mén)自供電生物傳感器等。另外無(wú)創(chuàng)性電化學(xué)生物傳感器也是個(gè)人健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中非常重要的。進(jìn)而針對(duì)移動(dòng)醫(yī)療，將具有直接傳輸數(shù)據(jù)到手機(jī)、平板電腦或局域網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)與傳感設(shè)備集成，是生物傳感技術(shù)中新興的領(lǐng)域。

四、結(jié)束語(yǔ)

用于其它重要分析物的新型無(wú)創(chuàng)電化學(xué)傳感器也是個(gè)人健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中極為需要的研究方向，包括物理傳感器和生物傳感器，具有無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的傳感器裝置直接與手機(jī)、平板或局域網(wǎng)的集成，是靶向移動(dòng)醫(yī)療健康生物傳感器技術(shù)的一個(gè)新領(lǐng)域，未來(lái)通過(guò)大數(shù)據(jù)與專(zhuān)家系統(tǒng)集中提供輔助決策將顯著降低醫(yī)療費(fèi)用。

盡管在健康應(yīng)用領(lǐng)域不斷有新型生物電催化系統(tǒng)的研究報(bào)道，然而 基于酶的血糖生物傳感器仍然在學(xué)術(shù)文獻(xiàn)中大量出現(xiàn)，其銷(xiāo)售額依舊統(tǒng)治生物傳感器的世界市場(chǎng)，這主要是由于受到1型糖尿病患者大量使用一次性產(chǎn)品的嚴(yán)重影響，這將掩蓋許多其它符合臨床和其他需求的商用生物電催化系統(tǒng)的成功。

在一種新型生物電催化系統(tǒng)能夠應(yīng)用到日常生活中之前，需要對(duì)許多問(wèn)題進(jìn)行評(píng)估。傳感器工藝中的穩(wěn)定性、重復(fù)性和敏感性也仍需進(jìn)一步優(yōu)化。進(jìn)步研究了解直接和間接路徑的電子轉(zhuǎn)移機(jī)制、在生物催化系統(tǒng)中開(kāi)發(fā)新型和更加有效的方法來(lái)調(diào)節(jié)生物催化系統(tǒng)中的電子轉(zhuǎn)移是未來(lái)傳感器裝置成功商用的必由之路。