摘要人體生理指標(biāo)是衡量健康與否的重要標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)的檢測方法通常要求單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)室、復(fù)雜的操作流程且耗費(fèi)較長的檢測時(shí)間，難以滿足快速診斷和居家健康監(jiān)測的需求，因此亟需開發(fā)便攜、快速和精準(zhǔn)的現(xiàn)場檢測技術(shù)。即時(shí)檢測（Point-of-care testing， POCT）區(qū)別于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室檢測的主要特征是不需要實(shí)驗(yàn)室繁雜的分析過程即可實(shí)現(xiàn)生物分子的快速原位檢測。智能手機(jī)作為日常生活廣泛使用的通訊工具，具有獨(dú)立的操作系統(tǒng)，內(nèi)置存儲(chǔ)功能，還配備高清攝像頭，在POCT 可視化檢測方面有巨大的應(yīng)用潛力。將各種生物傳感技術(shù)與智能手機(jī)相結(jié)合已經(jīng)發(fā)展成為POCT 領(lǐng)域的一個(gè)新方向。本文對(duì)近年來基于智能手機(jī)的可視化生物傳感器在POCT 中的研究進(jìn)展進(jìn)行了評(píng)述，包括比色傳感器、熒光傳感器、化學(xué)發(fā)光傳感器和電化學(xué)發(fā)光傳感器等，總結(jié)了目前基于智能手機(jī)可視化生物傳感器在POCT 應(yīng)用中面臨的問題，并對(duì)其未來發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞智能手機(jī)；可視化生物傳感器；即時(shí)檢測；評(píng)述

近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類的生命健康問題愈發(fā)受到關(guān)注。傳統(tǒng)的人體生理生化指標(biāo)檢測方法通常需要體積較大且昂貴的儀器、復(fù)雜的樣品處理步驟以及專業(yè)的操作人員，存在檢測成本較高和分析效率偏低等問題，難以滿足快速診斷和居家健康監(jiān)測的需求。因此，亟需開發(fā)便攜、快速和精準(zhǔn)的現(xiàn)場檢測技術(shù)。

隨著化學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)、工程學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等學(xué)科在生物檢測領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展，即時(shí)檢測（Point-of-care testing， POCT）成為了可能。POCT 是指在采樣現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，省去了標(biāo)本在實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)時(shí)的復(fù)雜處理程序，可快速得到檢驗(yàn)結(jié)果的一類新方法。POCT 在原位快速檢測的同時(shí)，避免了樣本處理和數(shù)據(jù)分析等復(fù)雜的操作步驟[1]，也不必再依賴專業(yè)人員的操作和大型的處理儀器。近年來，由于各種新材料新技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)便捷技術(shù)的追求，使得具有實(shí)驗(yàn)儀器小型化、操作簡單化以及報(bào)告結(jié)果即時(shí)化的POCT 得到了越來越多的發(fā)展和應(yīng)用。從1993 年我國第一臺(tái)電子血糖儀上市，到2017 年全自動(dòng)POCT 平臺(tái)成為熱門產(chǎn)品，從最早的血糖、妊娠等監(jiān)測到心臟功能、凝血功能、毒品/酒精、腫瘤及感染性疾病篩查等領(lǐng)域，標(biāo)志著POCT 平臺(tái)向大規(guī)模應(yīng)用的方向發(fā)展。目前， POCT 已成為大多數(shù)領(lǐng)域的必備檢測技術(shù)，呈快速發(fā)展的態(tài)勢。

POCT的發(fā)展經(jīng)歷了側(cè)向免疫層析定性分析、色板卡比色半定量檢測、手工操作的全定量系統(tǒng)和智能化的技術(shù)平臺(tái)4 個(gè)階段，多依賴于肉眼觀察或定制開發(fā)的儀器達(dá)到可視化的效果。2008年， Martinez 等[2]首次利用手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程醫(yī)療和場外診斷，采用紙基的微流體裝置和具備照相功能的手機(jī)，對(duì)尿液中的葡萄糖和蛋白質(zhì)進(jìn)行檢測，定量結(jié)果準(zhǔn)確且所需樣品量少（≤5 μL）。自此，基于手機(jī)的POCT 應(yīng)用逐漸增加。智能手機(jī)具有獨(dú)立的操作系統(tǒng)、內(nèi)置存儲(chǔ)功能以及高清攝像頭[3]，并且操作簡單，與一些便攜的實(shí)驗(yàn)室分析設(shè)備相比更易獲取并且更便宜。隨著智能手機(jī)性能的完善，將智能手機(jī)與可視化生物傳感器結(jié)合可實(shí)現(xiàn)更便攜的POCT[4]，對(duì)于發(fā)展原位、即時(shí)、精確的生物檢測具有重要的研究意義和廣闊的應(yīng)用前景。

目前，已有一些基于智能手機(jī)的POCT 研究進(jìn)展方面的綜述報(bào)道。Yan 等[5]在2021 年詳細(xì)介紹了基于智能手機(jī)的POCT 傳感器的使用和發(fā)展。根據(jù)生物液體樣本不同， Liu 等[6]全面總結(jié)了基于智能手機(jī)的比色法、熒光法、亮場法和電化學(xué)方法，并對(duì)目前廣泛應(yīng)用于POCT 的生物傳感器（紙基傳感器、柔性器件和微流控芯片等）的特點(diǎn)和未來發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)。Ma 等[7]分析了智能手機(jī)在食品分析領(lǐng)域中的最新應(yīng)用進(jìn)展，并對(duì)未來實(shí)際應(yīng)用的可行性進(jìn)行了展望。這些研究全面綜述了基于智能手機(jī)的POCT 的應(yīng)用研究和未來發(fā)展方向，但是，并未詳細(xì)介紹基于智能手機(jī)的POCT 可視化生物傳感研究。本文基于4 種可視化傳感技術(shù)（比色技術(shù)、熒光技術(shù)、化學(xué)發(fā)光技術(shù)和電化學(xué)發(fā)光技術(shù)），評(píng)述了近年來基于智能手機(jī)的POCT 可視化生物傳感的研究進(jìn)展（圖1），總結(jié)了基于智能手機(jī)的可視化生物傳感器在POCT 領(lǐng)域中面臨的挑戰(zhàn)，并對(duì)其未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 基于智能手機(jī)的比色生物傳感

比色技術(shù)因具有可視化、低成本和簡單實(shí)用的優(yōu)勢備受關(guān)注。智能手機(jī)是人們?nèi)粘Ｉ钪斜貍涞碾娮赢a(chǎn)品，手機(jī)的相機(jī)是一種低成本的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）陣列[8]，可以對(duì)紅、綠、藍(lán)（RGB）光產(chǎn)生反應(yīng)，而且還集成了如自動(dòng)白平衡等一系列自動(dòng)化功能，通過改變檢測到的不同RGB 信號(hào)比例而呈現(xiàn)良好的可視化效果。CMOS 圖像傳感器探測光譜的范圍包含了近紅外部分，需要加入濾光片濾除，否則圖片成像會(huì)偏紅[9]。此外，目前已開發(fā)了許多軟件和APP 用于RGB 顏色分析，當(dāng)明確了樣品濃度與色度值之間的線性關(guān)系后，即可利用手機(jī)實(shí)現(xiàn)待測物的準(zhǔn)確定量檢測[10]。相較于傳統(tǒng)比色方法，比色技術(shù)與智能手機(jī)的結(jié)合可以減少肉眼觀察帶來的誤差且更易普及，使檢測信息更豐富、分析結(jié)果更準(zhǔn)確，因此，基于智能手機(jī)的比色傳感器被廣泛應(yīng)用于POCT，已成為可視化傳感器中常用的測定方法之一。

1.1 生物小分子的檢測

體內(nèi)的生物小分子參與許多重要的生命活動(dòng)，對(duì)維持人體健康具有重要作用[11]，因此，生物小分子的快速定量分析對(duì)健康監(jiān)測具有重要意義。

1.1.1 過氧化氫的檢測

過氧化氫（H2O2）是一種活性氧，其濃度變化與各種疾病的發(fā)生相關(guān)，包括癌癥、阿爾茨海默病和糖尿病等[12]，因此，檢測H2O2 對(duì)于醫(yī)學(xué)診斷具有重要意義。Dogan 等[13]將碘化物介導(dǎo)的3，3′，5，5′-四甲基聯(lián)苯胺（TMB）-H2O2 反應(yīng)體系應(yīng)用于紙基微流控分析裝置（μPAD）中，用于水樣中H2O2 的非酶促比色測定。H2O2 與顯色劑（TMB+KI 或KI）在μPADs 中發(fā)生顯色反應(yīng)，用手機(jī)記錄圖像（圖2），提取其特征信息，然后結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)，將經(jīng)過訓(xùn)練的分類器集成到特制APP 中，并將結(jié)果呈現(xiàn)給用戶。在多種光照條件下， TMB+KI 的分類正確率最高（97.8%），檢出限（Limit of detection， LOD）為5.4 μmol/L。該工作的創(chuàng)新點(diǎn)是采用了無酶μPAD，使檢測系統(tǒng)具有更高的化學(xué)/熱穩(wěn)定性。

1.1.2 葡萄糖的檢測

葡萄糖是生物體內(nèi)新陳代謝過程中不可或缺的營養(yǎng)物質(zhì)之一，血糖水平反映了人體的能量和健康狀況，如糖尿病是以高血糖為特征的常見代謝性疾病。因此，及時(shí)檢測血糖水平有助于實(shí)時(shí)了解血糖狀態(tài)，對(duì)于預(yù)防和治療糖尿病具有重要意義。目前，最常用的檢測血糖的方法是采集血液樣本檢測葡萄糖或糖化血紅蛋白的濃度[14]。Xu 等[15]開發(fā)了一種基于水凝膠的紙基比色分析系統(tǒng)（c-PAD），利用藻酸鈉水凝膠封裝酶和顯色試劑進(jìn)行顯色反應(yīng)。該水凝膠具有納米級(jí)多孔結(jié)構(gòu)，可阻止血液中大分子通過，當(dāng)小分子進(jìn)入感應(yīng)區(qū)產(chǎn)生顯色反應(yīng)時(shí)，智能手機(jī)記錄產(chǎn)生的顏色信號(hào)，然后由顏色分析軟件解析，從而實(shí)現(xiàn)血糖的快速檢測， LOD 低至0.12 mmol/L（圖3）。除了侵入式采集血液樣本進(jìn)行檢測的方法以外，非侵入采集體液樣本方法更適合日常健康監(jiān)測。研究發(fā)現(xiàn)，汗液中的葡萄糖濃度與血糖值有很大的相關(guān)性[16]。Xiao 等[17]開發(fā)了用于人體汗液中葡萄糖檢測的可穿戴設(shè)備（μTPAD）。該裝置使用棉線作為微通道收集汗液，并引導(dǎo)汗液轉(zhuǎn)移到紙張比色傳感器上。檢測時(shí)，汗液中的葡萄糖引發(fā)酶催化反應(yīng)，隨著葡萄糖濃度增加，紙張的顏色從淡黃色變?yōu)樗{(lán)色。使用手機(jī)拍照記錄顏色變化，并根據(jù)RGB 值對(duì)顏色進(jìn)行比較分析，在50～250 μmol/L 范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了葡萄糖濃度的線性檢測， LOD 為35 μmol/L。但是， μTPAD 為非密閉環(huán)境，其檢測過程伴隨著水分蒸發(fā)，可能導(dǎo)致LOD 偏低。

1.1.3 乳酸的檢測

乳酸是生物體內(nèi)的一種重要代謝物，研究發(fā)現(xiàn)，汗液中的乳酸濃度與運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和組織缺氧程度密切相關(guān)[18]。Xiao 等[19]將兩根線擰結(jié)形成Y 形結(jié)構(gòu)，用于將汗液樣本從儲(chǔ)液器轉(zhuǎn)移和分離到紙基傳感器上，基于此構(gòu)建了原位檢測汗液中的pH 值和乳酸的可穿戴裝置。利用自制的手機(jī)APP 獲取圖像，通過檢測待測物引起的顏色變化，實(shí)現(xiàn)了pH 值和乳酸濃度的定量檢測，乳酸的LOD 為1.0 mmol/L， pH 值的測量范圍為4.0～8.0。

1.1.4 其它生物小分子的檢測

除了上述3 種常見的小分子生物標(biāo)志物之外，基于智能手機(jī)的比色傳感器也被用于其它重要小分子標(biāo)志物的檢測。Auyoung 等[20]開發(fā)了由紙和丙烯酸骨架組成的紙基比色裝置，通過手機(jī)拍照和后端圖像處理算法實(shí)現(xiàn)了膽紅素的定量檢測。當(dāng)加入待測血清時(shí)，裝置產(chǎn)生顏色變化，由專用手機(jī)APP 捕捉顏色圖像，并將其轉(zhuǎn)換為膽紅素的濃度值， LOD 為0.48 mg/dL。Wang 等[21]開發(fā)了一種具有漆酶和兒茶酚酶活性的非晶態(tài)咪唑-Cu 納米酶（I-Cu），并利用其比色反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了原位檢測多巴胺。利用手機(jī)拍照記錄顏色變化，照片中的平均RGB 值被APP 識(shí)別并代入R、G 和B 的不同標(biāo)準(zhǔn)曲線獲得多巴胺的濃度， LOD為0.412 μmol/L。Fan 等[22]利用手機(jī)結(jié)合紙基微流控芯片技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)唾液中UA 的定量檢測，其原理是具有還原性的UA和氧化劑鐵氰化鉀反應(yīng)， Fe3+與反應(yīng)產(chǎn)物亞鐵氰化鉀顯色，借助自主開發(fā)的MATLAB代碼和APP 進(jìn)行顏色強(qiáng)度測定和定量分析，對(duì)UA 檢測的線性范圍為0.1～200 mg/L， LOD 為0.1 mg/L。

大多數(shù)比色生物傳感器的檢測原理是基于酶的催化反應(yīng)，而酶在極端條件（如過酸或過堿、高溫、有機(jī)溶劑和重金屬等）下活性會(huì)減弱，并且酶的回收和儲(chǔ)存穩(wěn)定性較差，這將會(huì)影響傳感器的性能。因此，可通過開發(fā)更加穩(wěn)定的納米酶材料代替天然酶，以期解決天然酶穩(wěn)定性低、成本高以及難以儲(chǔ)存等問題。此外，汗液檢測雖然避免了有創(chuàng)檢測所致的疼痛和感染風(fēng)險(xiǎn)，但由于汗液易揮發(fā)且難收集，個(gè)體之間也存在較大差異，因此，在個(gè)性化健康醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用受限。

1.2 生物大分子的檢測

核酸檢測對(duì)于病毒載量監(jiān)測和疾病診斷具有重要意義。目前，核酸比色檢測多是通過共軛聚電解質(zhì)（CPEs）實(shí)現(xiàn)[23-24]，然而，痕量核酸通常無法產(chǎn)生肉眼可辨的顏色變化?；诖耍?Aydin 等[25]利用陽離子聚[N，N，N-三乙基-3-（（4-甲基噻吩-3-基）氧）丙烷-1-溴化銨]作為CPEs 的檢測劑，將其沉積在聚偏氟乙烯（PVDF）膜上，開發(fā)了一種可視化檢測核酸的方法。采用智能手機(jī)拍照記錄PVDF 膜上CPE 圖像的顏色變化，通過APP 算法分析，實(shí)現(xiàn)了模擬臨床血漿樣本中乙肝病毒（HBV）DNA 的檢測， LOD 為1 nmol/L。微小核糖核酸（miRNA）是在真核生物中發(fā)現(xiàn)的一類內(nèi)源性的具有調(diào)控功能的非編碼RNA，已被證明是多種疾病[26-27]和傳染病[28]的重要標(biāo)志物。Krishnan 等[29]開發(fā)了一種由智能手機(jī)、3D 打印配件和專用APP 組成的傳感設(shè)備，利用基于銀納米顆粒（AgNPs）的表面增強(qiáng)拉曼散射方法實(shí)現(xiàn)了miRNA 的比色檢測。當(dāng)AgNPs 聚集時(shí)，由于等離子體耦合效應(yīng)，吸光度和散射模式發(fā)生變化，導(dǎo)致顏色和吸收光譜發(fā)生改變，利用手機(jī)的圖像采集、APP 自動(dòng)建立曲線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、結(jié)果顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能進(jìn)行樣本分析。該方法僅需100 μL 樣本即可檢測納摩爾濃度水平的miRNA-21，并在1 min 內(nèi)得到結(jié)果。

目前，用于蛋白質(zhì)或核酸檢測的智能手機(jī)比色傳感器還存在目標(biāo)物單一、設(shè)備組裝復(fù)雜、成本較高以及測試時(shí)間長等缺點(diǎn)，限制了POCT 的時(shí)效性，不適合大規(guī)模應(yīng)用。解決這些問題需要多學(xué)科的研究人員合作，發(fā)展多組分檢測方法和技術(shù)，并完善硬件制造工藝。

1.3 多組分檢測

與單一生物標(biāo)志物檢測相比，生物標(biāo)志物多組分同時(shí)檢測不僅可提高疾病診斷的準(zhǔn)確性[30]，而且可簡化分析程序、提高檢測效率和降低成本。人體淚液中含有多種可以反映眼部和全身健康狀態(tài)的生物標(biāo)志物，可作為慢性或急性疾病和局部創(chuàng)傷的監(jiān)測指標(biāo)[31]。Xu 等[32]開發(fā)了一種無創(chuàng)柔性眼貼式的比色傳感器，實(shí)現(xiàn)了淚液中的多種生物標(biāo)志物（人血清白蛋白、葡萄糖、抗壞血酸和pH 值）的檢測（圖4）。

該傳感器可使用半定量卡進(jìn)行分析或使用智能手機(jī)進(jìn)行定量分析。通過智能手機(jī)拍攝圖像，使用顏色分析軟件解析并輸出RGB 參數(shù)。在輸出測試和參考區(qū)域的圖像之后，通過計(jì)算，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)分析物的定量檢測。人血清白蛋白、葡萄糖和抗壞血酸的LOD 分別為0.17 g/L、7.0 μmol/L 和3.0 μmol/L， 對(duì)pH 值的測量精度高于市售的pH 試紙，并且避免了肉眼判斷帶來的誤差。同時(shí)，可借助無線傳輸和物聯(lián)網(wǎng)云技術(shù)實(shí)時(shí)更新用戶手機(jī)上的檢測結(jié)果，可為未來家庭健康監(jiān)測和醫(yī)療機(jī)構(gòu)快速診斷提供更多的便利。但是，也有研究表明，血糖含量與眼淚中葡萄糖的含量相關(guān)性較低[33]，同時(shí)眼淚的生成和蒸發(fā)的不穩(wěn)定性會(huì)影響測量的準(zhǔn)確度，而且檢測還會(huì)受到眨眼的干擾。

2 基于智能手機(jī)的熒光生物傳感

熒光傳感技術(shù)是基于熒光探針與待測物相互作用引起的熒光信號(hào)變化進(jìn)行分析的技術(shù)。相比于比色傳感技術(shù)，熒光傳感技術(shù)具有更高的靈敏度和特異性，檢出限可達(dá)fmol/L 級(jí)別[34]。傳統(tǒng)的熒光傳感技術(shù)通常依靠大型的儀器，操作復(fù)雜，檢測成本較高，不利于推廣。因此，發(fā)展快速和便攜的熒光傳感器具有重要的意義和廣泛的應(yīng)用前景。其中，基于智能手機(jī)的熒光傳感器備受關(guān)注，通常采用發(fā)光二極管（LED）作為激發(fā)光源，具有較高的信噪比水平，便于直接觀察，并且可量化熒光標(biāo)記的生物標(biāo)志物；或是在有激發(fā)光源的暗環(huán)境下使用手機(jī)拍照獲取圖片，再通過Image J 軟件或者自主研發(fā)的APP 進(jìn)行顯色強(qiáng)度的分析，通過RGB 或HSV 等顏色模型對(duì)顏色強(qiáng)度進(jìn)行定量分析[35]。

2.1 生物小分子的檢測

Hu 等[36]基于水凝膠中的上轉(zhuǎn)換光學(xué)探針設(shè)計(jì)了一種檢測汗液中尿素含量的熒光傳感貼片，對(duì)尿素表現(xiàn)出多重色度響應(yīng)，手機(jī)在特制暗盒中拍攝貼片980 nm 的熒光，隨著尿素濃度增加，熒光從黃色轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色，通過顏色識(shí)別APP 進(jìn)行RGB 分析，實(shí)現(xiàn)了尿素的現(xiàn)場快速定量檢測。上轉(zhuǎn)換光學(xué)探針和水凝膠傳感器的LOD 分別低至1.4 和30 μmol/L。除了前面介紹的通過無創(chuàng)柔性眼貼收集淚液之外，隱形眼鏡也可為眼部診斷和藥物輸送提供一個(gè)快捷的可穿戴平臺(tái)[37]。Deng 等[38]開發(fā)了用于血糖檢測的可穿戴熒光隱形眼鏡，將葡萄糖探針和參比探針接入隱形眼鏡的2-甲基丙烯酸羥乙酯（HEMA）水凝膠網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)了顏色變化明顯的熒光比率分析，通過智能手機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行采集和分析，直接讀出葡萄糖濃度，LOD 為23 μmol/L。

與比色傳感一樣，在熒光傳感檢測生物小分子過程中，利用汗液和淚液作為待測液的這種非侵入性檢測極大地降低了患者的疼痛感，為生命體征的監(jiān)測提供了重要的參考，但其準(zhǔn)確性還有待考量，有研究者提出將基于微針的可穿戴熒光傳感器設(shè)備用于生物標(biāo)志物監(jiān)測[39]，這或許比汗液檢測更具前景。

2.2 生物大分子的檢測

諾如病毒是一種具有高度傳染性的RNA 病毒，具有傳播途徑多樣和環(huán)境抵抗力強(qiáng)等特點(diǎn)[40]。Chung 等[41]開發(fā)了基于智能手機(jī)的熒光顯微鏡和紙質(zhì)微流控芯片檢測體系，對(duì)水樣中的諾如病毒進(jìn)行了靈敏即時(shí)檢測。通過毛細(xì)管作用將結(jié)合抗體的熒光顆粒免疫凝集并散布在紙質(zhì)微流控芯片上，然后使用基于智能手機(jī)外接小型熒光顯微鏡進(jìn)行個(gè)體計(jì)數(shù)，通過計(jì)數(shù)所得顆粒的像素計(jì)算出被測樣品中諾如病毒的濃度。該方法首次提出了利用低成本材料檢測諾如病毒的高靈敏度移動(dòng)平臺(tái)，并可用于其它病原體檢測。

熒光傳感器已成為生物大分子檢測和成像的常見工具，將其與智能手機(jī)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)更經(jīng)濟(jì)、更具操作性的低成本檢測[42]，靈敏度高于比色傳感器。但是，熒光傳感器存在需要外加激發(fā)光源、發(fā)射波長短和背景熒光強(qiáng)等局限性[43]。如果將光學(xué)傳感芯片植入到智能手機(jī)平臺(tái)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)，將極大地提高其POCT 檢測能力。

2.3 細(xì)菌的檢測

霍亂弧菌是人類霍亂的病原體，普通診斷方式有直接鏡檢和細(xì)菌分離培養(yǎng)等[44]。Moehling 等[45]基于智能手機(jī)的顆粒擴(kuò)散測定法（PD），結(jié)合環(huán)介導(dǎo)等溫?cái)U(kuò)增（LAMP）技術(shù)，開發(fā)了檢測水中痕量霍亂弧菌的粒子擴(kuò)散熒光傳感器。通過智能手機(jī)以68 倍的放大成像，檢測了400 nm 鏈霉親和素涂層熒光納米粒子的擴(kuò)散情況，在35 min 內(nèi)檢測到每個(gè)反應(yīng)中有6 個(gè)霍亂弧菌細(xì)胞（0.66 amol/L）。大腸桿菌（E. coli）O157∶H7 是E. coli 的一種血清型，是產(chǎn)生志賀毒素的E. coli 類型之一[46]。Zeinhom 等[47]開發(fā)了由激發(fā)光源、樣品室和信號(hào)采集系統(tǒng)組成的基于智能手機(jī)的便攜式檢測設(shè)備，對(duì)酸奶和雞蛋中E. coli O157∶H7 的LOD 分別為1 CFU/mL 和10 CFU/mL。

開發(fā)高通量的細(xì)胞檢測技術(shù)是未來的發(fā)展方向之一，將熒光細(xì)胞傳感器高靈敏度的優(yōu)點(diǎn)和智能手機(jī)高通量檢測的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，將具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，細(xì)胞的存儲(chǔ)和活性保持也是值得深入研究的問題，開發(fā)用于細(xì)胞原位實(shí)時(shí)監(jiān)測的POCT 裝置是當(dāng)前細(xì)胞熒光傳感器應(yīng)用研究的重要任務(wù)。

2.4 多組分檢測

抗壞血酸（AA）即維生素C，具有解毒、預(yù)防癌癥和清除自由基等生理作用[48]?？箟难嵫趸福ˋAOx）是一種含銅的酶，能催化AA 氧化，在體內(nèi)代謝過程中具有重要作用。Han 等[49]開發(fā)了一種檢測體液中AA 和AAOx 的方法。如圖5 所示， AA 通過內(nèi)濾效應(yīng)（IFE）使錳（Ⅱ）摻雜鋅/氧化鍺納米粒子（Mn@ZnGe NPs）的熒光猝滅，當(dāng)引入AAOx 時(shí)， AA 被特異性地氧化成l-脫氫抗壞血酸（DHA），體系的內(nèi)濾效應(yīng)被消除，熒光恢復(fù)。基于此原理，利用手持紫外燈和智能手機(jī)，實(shí)現(xiàn)了AA 的“Signal-off”和AAOx 的“Signal-on”可視化檢測， AA 的線性檢測范圍和LOD 分別為5～500 μmol/L 和0.13 μmol/L，AAOx 的線性檢測范圍和LOD 分別為1～4 U/mL 和0.728 U/mL。

3 基于智能手機(jī)的化學(xué)發(fā)光生物傳感

化學(xué)發(fā)光（Chemiluminiscence， CL）是一種伴隨化學(xué)反應(yīng)的光發(fā)射現(xiàn)象[50]，若化學(xué)發(fā)光反應(yīng)存在于生物體（螢火蟲、海洋發(fā)光生物）內(nèi)即稱為生物發(fā)光（Bioluminescence， BL）。CL 傳感技術(shù)具有靈敏度高、檢測范圍廣、設(shè)備簡單及安全易操作等優(yōu)勢，是現(xiàn)場POCT 的最佳檢測手段之一。隨著新型納米材料（如金納米粒子、量子點(diǎn)和磁性材料）的發(fā)展，這種方法在靈敏度方面也取得了重大突破。近年來，結(jié)合智能手機(jī)的化學(xué)發(fā)光傳感器因具有原位和便攜的優(yōu)勢而受到廣泛關(guān)注[51]。

3.1 生物小分子的檢測

Aguirre 等[52]首次采用分散液液微萃取和亞甲基藍(lán)（MB）反萃取法，結(jié)合手機(jī)的光譜測定系統(tǒng)對(duì)AA進(jìn)行定量分析，采用Statgraphics 統(tǒng)計(jì)計(jì)算機(jī)軟件包“Statgraphics Centurion XVI”構(gòu)建實(shí)驗(yàn)矩陣以評(píng)估結(jié)果，將圖像分析軟件用于處理手機(jī)獲取的光譜數(shù)據(jù)。在優(yōu)化條件下， 5 個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)為0.998，線性范圍為20～80 μg/mL， LOD 為5 μg/mL， 定量限（LOQ）為16 μg/mL。

3.2 生物大分子的檢測

凝血酶是一種絲氨酸蛋白酶，在繼發(fā)性止血中起核心作用[53]。Hattori 等[54]開發(fā)了一種比率生物發(fā)光指示劑和凝血酶活性傳感指示劑（圖6A），通過改變發(fā)光顏色（綠色到藍(lán)色）反映血液中凝血酶的裂解活性，可在生物發(fā)光顏色變化時(shí)檢測切割活性。該方法對(duì)凝血酶反應(yīng)的光譜變化具有較高的線性動(dòng)態(tài)范圍，在較低濃度下可以更準(zhǔn)確地檢測凝血酶活性， LOD 小于10 nmol/L。Li 等[55]開發(fā)了一個(gè)集成生物發(fā)光共振能量轉(zhuǎn)移（BRET）和等溫?cái)U(kuò)增技術(shù)的紙基傳感系統(tǒng)，用于分析血清中與腫瘤相關(guān)的循環(huán)miRNA。如圖6B 所示， 該系統(tǒng)由放大紙盤和BRET 傳感紙盤組成， 當(dāng)供體和受體接近時(shí)， 產(chǎn)生BRET 信號(hào)， 在3D 打印的暗室中使用智能手機(jī)拍照記錄發(fā)光信號(hào)，并使用Image J 軟件確定每個(gè)樣品的G/B 發(fā)射比，顯示出隨miRNA 濃度增加顏色從藍(lán)色到綠色的轉(zhuǎn)變。該方法的線性范圍為2 fmol/L～50 pmol/L， LOD 低至1.7 fmol/L。紙基化學(xué)發(fā)光系統(tǒng)具有柔性、成本低、可回收以及環(huán)境可降解等優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些局限性，如待測物在一段時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定性有限，并且在操作時(shí)需要手動(dòng)添加試劑，在實(shí)際應(yīng)用過程中受限。因此，需要進(jìn)一步開發(fā)一些新材料和多樣的應(yīng)用分析設(shè)備，以期更易于終端用戶管理。

3.3 細(xì)胞的檢測

Michelini 等[56]開發(fā)了一種基于智能手機(jī)的BL3D 細(xì)胞生物傳感器。該傳感器設(shè)計(jì)了一種核因子kB（NF-kB）信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，用于參與細(xì)胞周期生長、炎癥、凋亡和免疫的調(diào)節(jié)。選擇PpyGR-TS和PpyRE-TS螢光素酶，其催化產(chǎn)生的BL 發(fā)射光譜基本與手機(jī)CMOS 傳感器中Bayer 矩陣的綠色和紅色濾光片的光譜透射率重疊，因此可獲得靈敏的BL 信號(hào)。使用軟件計(jì)算不同濃度圖像的R/G 值，得到腫瘤壞死因子的劑量的響應(yīng)曲線，方法的LOD 為（0.15±0.05） ng/mL。Wu 等[57]開發(fā)了一個(gè)CL 比率傳感平臺(tái)，用于即時(shí)檢測病原菌。作者合成了一種新的聚集誘導(dǎo)發(fā)射分子（AIEzyme），具有優(yōu)異的類氧化酶活性，在沒有H2O2 的情況下能催化魯米諾產(chǎn)生長時(shí)間CL，其發(fā)光顏色與病原菌濃度相關(guān)，通過手機(jī)APP 將圖像顏色信號(hào)轉(zhuǎn)換為代表RGB 的數(shù)值， G/B 值與E. coli 濃度在101～107 cfu/mL 范圍內(nèi)呈線性關(guān)系（R2=0.995），LOD 為1.74 cfu/mL。

4 基于智能手機(jī)的電化學(xué)發(fā)光生物傳感

電化學(xué)發(fā)光（Electrochemiluminescence， ECL）是由電化學(xué)觸發(fā)的一種光輻射現(xiàn)象，已成為分析化學(xué)和生物傳感領(lǐng)域的重要檢測策略之一[58]。ECL 具有靈敏度高、檢出限低和便捷等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測和健康管理。但是， ECL 檢測很少用于便攜式傳感器，因?yàn)槌Ｓ玫墓怆姳对龉埽≒MT）探測器需要高壓電源，體積龐大[59]，并且反應(yīng)電池/電極相對(duì)昂貴。因此，將智能手機(jī)與電化學(xué)發(fā)光技術(shù)結(jié)合具有挑戰(zhàn)性，但也具有廣闊的應(yīng)用前景。

4.1 生物小分子的檢測

人體的直接能量來源是三磷酸腺苷（ATP），其含量水平與阿爾茨海默病、貧血和缺氧等多種疾病相關(guān)，因此開發(fā)檢測ATP 含量的便攜裝置對(duì)健康監(jiān)測和疾病診斷具有重要價(jià)值。Nie 等[ 60]以Fe3O4NP@ZIF-8 絡(luò)合物為催化劑激發(fā)二硫化鉬量子點(diǎn)（MoS2 QDs）產(chǎn)生ECL 信號(hào)，基于此開發(fā)了即時(shí)檢測ATP的方法。絡(luò)合物催化共反應(yīng)物產(chǎn)生了更多的自由基，阻礙了Fe3O4 納米粒子對(duì)QDs 的猝滅效應(yīng)，通過智能手機(jī)CMOS 傳感器芯片拍攝ECL 成像的變化，并通過自主開發(fā)的軟件處理成高分辨率圖像。該方法可檢測0.05～200 nmol/L 范圍內(nèi)的ATP， LOD 為0.015 nmol/L。

4.2 生物大分子的檢測

宮頸癌是最常見的婦科惡性腫瘤[61]，其主要病因是人類乳頭瘤病毒（HPV）高危型16 和18 型的持續(xù)感染。Nie 等[62]制備了一種檢測HPV 16 的ECL 傳感器。利用含硫空位的鋅摻雜MoS2 QDs 和還原性催化劑Cu+顆粒，使體系具有更優(yōu)異的ECL 性能。整個(gè)發(fā)光體系置于暗盒中，由手機(jī)攝像頭內(nèi)嵌的CMOS傳感器芯片拍攝發(fā)光體系，通過軟件處理成高分辨率圖像并呈現(xiàn)在手機(jī)上，可檢測0.1～200 nmol/L 范圍內(nèi)的HPV 16 DNA， LOD 為0.03 nmol/L。Liu 等[63]采用ECL 共振能量轉(zhuǎn)移（ECL-RET）/表面等離子體耦合ECL（SPC-ECL）傳感模式，開發(fā)了一種基于BN 量子點(diǎn)（QDs）的ECL 生物傳感器（圖7）。BN QDs 和金納米粒子（AuNPs）分別與發(fā)夾DNA 的末端結(jié)合， AuNPs 淬滅BN QDs 的ECL 信號(hào)。當(dāng)發(fā)夾DNA 特異性識(shí)別目標(biāo)DNA后，發(fā)夾結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性構(gòu)象， BN QDs與AuNPs之間的距離增大。借助智能手機(jī)攝像頭內(nèi)的CMOS傳感器芯片可以很容易地觀察到BN QDs的ECL信號(hào)的變化。該傳感器對(duì)產(chǎn)志賀毒素的E. coli 基因的檢測范圍為1 pmol/L～5 nmol/L， LOD 為0.3 pmol/L。

生物大分子均需要外在刺激才能實(shí)現(xiàn)電化學(xué)發(fā)光和熒光發(fā)光[64-65]，并且在電極表面的組裝多是無序的，因此重現(xiàn)性較差，可通過DNA 四面體剛性結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)[66]。

4.3 細(xì)菌的檢測

石墨烯量子點(diǎn)（GQD）對(duì)發(fā)光體具有催化和放大作用，在ECL 檢測中顯示出巨大的應(yīng)用潛力。Li 等[67]利用GQDs 納米復(fù)合材料的放大效應(yīng)進(jìn)行ECL 檢測，構(gòu)建了基于智能手機(jī)的E. coli 檢測系統(tǒng)。該GQDs納米復(fù)合材料可在三異丙基乙磺酰（2，2-聯(lián)吡啶基）釕（Ⅱ）/三丙胺檢測中起到放大ECL 信號(hào)的作用。經(jīng)E. coli 抗體修飾后，系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的線性響應(yīng)。采用手機(jī)接口作為ECL 的激勵(lì)源，發(fā)光信號(hào)由手機(jī)拍攝并采用APP 進(jìn)行圖像分析， LOD 為5 CFU/mL。該方法將GODs 放大發(fā)光檢測與手機(jī)集成在一起，實(shí)現(xiàn)了低成本和實(shí)時(shí)的ECL 分析。

5 結(jié)論

本文介紹了基于智能手機(jī)的可視化生物傳感器在POCT 中的研究進(jìn)展，包括比色、熒光、化學(xué)發(fā)光以及電化學(xué)發(fā)光生物傳感技術(shù)，可用于多種生物指標(biāo)的檢測。然而，大多數(shù)基于智能手機(jī)的可視化生物傳感器目前仍處于概念驗(yàn)證的階段，其POCT 研究及應(yīng)用面臨諸多挑戰(zhàn)。（1）同時(shí)檢測多組分生物標(biāo)志物能有效提高疾病診斷的準(zhǔn)確性，開發(fā)可同時(shí)檢測多種標(biāo)志物的智能手機(jī)可視化生物傳感器是POCT 未來研究及實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)重要方向。（2）目前，基于智能手機(jī)的可視化傳感多是基于單模態(tài)信號(hào)實(shí)現(xiàn)測定，單信號(hào)輸出易受到外界條件的影響，如操作和儀器效率。雙模態(tài)傳感器可以生成兩種不同的信號(hào)模式[68-69]，降低了不同檢測方法對(duì)最終結(jié)果的影響。因此，開發(fā)基于智能手機(jī)的雙模態(tài)或多模態(tài)可視化傳感器可以進(jìn)一步提高檢測精度和可靠性。（3）基于智能手機(jī)可視化傳感技術(shù)還應(yīng)結(jié)合更多新技術(shù)，例如，將微流控芯片的檢測功能模塊集成到智能手機(jī)或附件中，微型、集成和自動(dòng)化的特點(diǎn)十分符合基于智能手機(jī)的POCT 設(shè)備的發(fā)展要求；紙基傳感器易獲取、成本低、可回收、可降解而不產(chǎn)生電子垃圾，因此被廣泛應(yīng)用。（4）在能源供應(yīng)方面，新的供電方法可以克服快速的能源消耗。目前的儲(chǔ)能設(shè)備體積較大，不符合微型電子產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)。但是，微型傳感器的靈敏度、準(zhǔn)確度和精確度不及傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室分析儀器。因此，有必要優(yōu)化儲(chǔ)能器件或傳感芯片，使其更便攜且可提高精確度。（5）制備成本是影響基于智能手機(jī)的可視化傳感器推廣的重要因素。3D 打印技術(shù)的出現(xiàn)降低了材料的消耗問題[70]，但價(jià)格仍然昂貴，因此需要繼續(xù)探索降低材料成本和試劑消耗的方法。（6）智能手機(jī)是傳感器實(shí)現(xiàn)可視化必不可少的工具，而CMOS 面積的大小決定像素高低，由于不同手機(jī)的CMOS 面積不同，手機(jī)像素存在差異，因此拍照后的檢測存在誤差。為實(shí)現(xiàn)不同手機(jī)對(duì)同一待測物的檢測結(jié)果相同，需要開發(fā)不同手機(jī)的自校準(zhǔn)功能。此外，簡化并優(yōu)化智能手機(jī)APP 操作方法也有助于檢測方法的推廣普及。

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國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（Nos. 22204089， 21801158）、山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No. ZR2020QB092）和省部共建生物多糖纖維成形與生態(tài)紡織國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（青島大學(xué)）基金項(xiàng)目（Nos. ZKT23， KF2020201， GZRC202025）資助。