生物传感发展50年及展望

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张先恩（研究员）

中国科学院生物物理研究所 生物大分子国家重点实验室 中国科学院生物大分子卓越中心 北京 100101

健康中国上升为国家战略，大健康将从概念走向实施。生物传感以其快速、准确、便携等诸多特点，在慢病监护与管理、POCT、远程医疗与个体化医疗、食品安全与环境污染监测等，将能发挥独特的作用。

20 世纪 60 年代，美国学者电分析化学专家 Leland C. Clark Jr 提出，对生物化学物质的测定，能否像 pH 电极那样便捷？这导致了酶电极即第一个生物传感器的问世。

Leland C. Clark Jr. 

半个世纪以来，生命科学、化学、物理、信息、材料、仿生等多学科原理和技术纷纷融入，使生物传感发展成为一门典型的汇聚技术。

生物传感被赋予若干特征——简便、灵敏、快速、准确，因而在生命科学研究、疾病诊断与居家监护、生物过程控制、农业与食品安全、环境监测与污染控制、生物安全与生物安保、航天、深海和极地科学等领域展现出广阔的应用前景。

当前，随着物联网、大数据和大健康从概念走向实施，生物传感以其合适的技术特色，面临新的发展机遇。

第一次发展高潮

各种物理和化学换能原理被采用

推动领域形成

20世纪70—80年代，一方面，各类生物大分子和生物材料被选作用于生物传感器的分子识别元件，包括酶、抗体、核酸、细胞、组织片、微生物、完好（intact）生物器官（如动物神经触角）等，多种生化和免疫物质（即环境化学物质）得以被快速检测。

另一方面，众多物理和化学换能器（transducer）原理被纷纷采用，形成生物传感大家族。其中涵盖了从生物量到各种物理量和化学量的转换，包括电化学生物传感、热学生物传感、半导体生物传感（生物场效应晶体管）、光纤生物传感、压电、质量及声波生物传感等。这些新原理生物传感模式各具特色，适合于不同的应用场景，奠定了生物传感领域发展框架。

 3 个标志性事件

1

1985，首个生物传感专业刊物创刊

1985 年生物传感专业刊物 Biosensors（Elsevier出版）创刊，后更名为Biosensors & Bioelectronics（《生物传感与生物电子学》），成为生物传感领域的权威学术期刊。

2

1987，首部生物传感专著出版

1987年，第一部生物传感专著Biosensors: Fundamentals& Applications 出版，该书由 60 多位专家共同撰写，至今仍被认为是生物传感经典著作。

3

1990，首届世界生物传感学术大会召开

1990 年，首届世界生物传感学术大会召开，以后每两年举行 1 次，成为生物传感领域的学术盛会。

这 3 个事件意味着生物传感已经发展成为具有一定规模的研究领域。AnthonyTurner 教授主持了这 3 件事，发挥了重要作用。

第二次发展高潮

新原理生物传感和DNA芯片

促进大规模商业化

第二代酶电极获得商业化成功

20 世纪 80 年代，美国 YSI公司实现了酶电极在食品发酵行业的商业化应用。然而，早期的酶电极在进一步普及应用的过程中存在两个主要难题：一是需要较高的工作电位，容易受其他电极活性物质干扰，二是酶电极采用手工制作，成本高、互换性较差，推广受限。

第二代酶电极   英国学者 Cass 等用合成化学介体二茂铁取代氧分子作为酶催化的电子受体，在较低的工作电位下实现酶与电极之间的电子传递，解决了电极活性物质干扰和氧背景干扰的问题，被称为第二代酶电极。

受到电子行业印刷电路工艺的启发，英国克兰菲尔德大学的专家们引入了丝网印刷技术，实现了酶电极的规模化制备。

新原理与新技术的结合，成功地解决了上述难题，使生物传感器成为“用过即扔”的一次性使用商品。该技术首先用于血糖测定，迅速在医院普及，并广泛用于高血糖患者居家监护。

SPR生物传感器

广泛用于生物分子相互作用研究

在生命科学研究和药物开发中，广泛需要测定（生物）分子相互作用。SPR（表面等离子体共振） 传感器能够动态监测，无须标记样品、监测灵敏度与放射性免疫相当。

基于该原理的瑞典 Biacore 生物传感仪（现属 GE 公司）已经成为研究生物分子相互作用的有效工具和主导技术。

然而，任何技术都有其生命周期。近 10 年来，ForteBio 公司推出另一种非标记技术——生物膜光相干生物传感器（BLI）。该方法具有低成本和较高通量的特点，迅速获得普及应用，并与 SPR 生物传感形成竞争态势。

DNA芯片实现基因表达高通量分析

生物芯片包括计算机生物芯片、芯片实验室（lab-on-a-chip）和检测芯片。其中检测芯片可以被认为是生物传感的高通量形式。20 世纪 90 年代中期出现的 DNA 芯片，其微阵列密度高达每平方厘米数万 DNA 探针，可一次性地获得全基因组的表达谱图，从而成为生命科学研究的重要工具。

美国 Affymetrix 公司是该领域的旗舰企业。在 DNA 微阵列芯片的基础上，发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，广泛应用于科研和临床。源于清华大学的博奥生物等国内研究中心和企业也做出了系列的创新并成功开拓市场。

根据市场分析报告，2014 年，生物传感和生物芯片的全球市场分别为129亿和39亿美元，预计到 2020 年将分别达到225亿和184亿美元， 复合年增长率为 9.7% 和 31.6%，届时总市场规模约为400亿美元。

第三次发展高潮

纳米技术被普遍用于提升生物传感性能

21 世纪以来，纳米技术的引入赋予了生物传感许多新的特性，如高灵敏、多参数、微环境应用等。纳米效应包括表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。

蛋白质和 DNA 等生物大分子是天然的纳米材料。它们通过自组装，在细胞内形成结构精巧、功能独特的生物传感网络和分子机器系统，保证新陈代谢的有序进行。认识它们的复杂结构和运作机理，对于深入理解生命现象有重要帮助。

不仅如此，基于获得的知识，构建纳米生物传感器，或与纳米材料相结合构建杂合纳米生物传感器，特别适合于活细胞中生物学过程和重大疾病发生发展过程的研究。纳米生物传感目前已经有大量研究报道，也成为纳米生物学和纳米生物技术领域的重要研究方向。

据 Web of Science 数据库（Clarivate nalytics）统计，自 2010 年以来，生物传感相关论文 6 万多篇中，纳米生物传感或采用纳米技术的生物传感的论文达到 58%。

中国学者的影响力

论文贡献已进入世界第一方阵

中国学者在生物传感领域进步十分显著。1990 年中国学者在国际上发表的相关论文数量仅占比 1%，2011 年开始超越美国位居首位，2017 年以来占比已超过 35%，大幅领先于其他国家，历史论文总数已经与美国持平。

数据用“Biosens*”（生物传感*）作为关键词检索 Web of Science文献数据库获得

此外，在高影响力论文中，中国学者的高被引论文数和热点论文数分别居第 1 和第 2 位。可见，无论是论文总量的贡献，还是高影响力论文的产出，中国学者已经处在世界第一方阵。

学术上尚待实现卓越与引领

成果转化应有全球化视野

然而，上述数据并非说明中国学者已经处在领域的领导地位。迄今为止，各大类生物传感原理均是由他国学者建立的。生物传感转化应用与市场开发方面，中国起步晚于欧、美、日。

近些年，中国学者的高影响力基于 3 个主要原因：

1. 研究水平整体提升；

2. 研究队伍体量大，其中高水平人员及其原始性研究总数也就比较多；

3. 纳米技术在中国迅速发展和普及，新型的纳米材料如石墨烯、碳纳米管、量子点等对提升生物传感器的性能有明显作用，中国的高影响力论文大都与纳米技术有关。

总体而言，生物传感与生物芯片的国际市场，仍由他国跨国公司主导。由此可见，中国要在生物传感领域进一步提升影响力，需要两手抓：一是巩固已有的成绩，在学术和创新上实现卓越与引领；二是重视转化研究，联手工业界，在全球市场开发方面有更大的作为。

当前的研究热点与技术挑战

穿戴式生物传感器及无创测定

穿戴式传感器系统能够实时地产生个体生命参数，这有两个方面的意义：（1）微观方面。实时测定疾病标志参数，并通过手机等发射装置将数据发送到医疗数据中心，有利于患者居家监护、个体化医疗和远程医疗。（2）宏观方面。随着大数据、云计算、物联网等技术与互联网的跨界融合，新技术与新商业模式使疾病的预防、诊断、治疗与控制进入智能化时代。

生物传感及生理传感系统与手机联通作为智能终端，将成为健康医疗大数据不可取代的数据源。通过接受、存储、管理和处理分析这些数据，可以对公众健康状况、疾病发生规律进行归纳分析，从而提供更好的疾病防控策略。

目前，体温、脉搏、血压、呼吸频率等生理指标的穿戴式传感器系统已经开始普及。这些指标均可通过物理传感器进行直接测定。而生物传感器的测定对象都在体内，如何实现无创测定成为主要挑战。

生物传感器与活体测定

生物传感器在活体测定方面具有重要意义。如神经活动示踪、肿瘤靶标的体内识别、疾病或健康标志物的体内浓度测定等。由于体内环境的复杂性，对生物传感器有特殊的要求，主要难题包括：体内环境和非特异性成分的干扰，测定装置的微型化，无创测定等。

分子生物传感与细胞分子影像

分子生物传感器是由DNA或蛋白质等生物大分子通过基因重组或DNA合成技术构成的传感器，尤其适合细胞内分子事件的探测。

目前广泛应用的分子传感器主要有4类：分子信标（MB）、荧光能量转移系统（FRET）、生物发光能量转移系统（BRET）和双分子荧光互补系统（BiFC）。

分子生物传感器与超分辨显微系统相结合，能够实现单分子事件的成像检测，这是传统的生物传感器难以企及的，对生命科学研究意义重大。目前，超分辨成像是在固定细胞上完成的，活细胞条件下的分子事件探测分辨率刚刚突破显微镜衍射极限（200 nm），如何在活细胞内实现超高时空分辨的分子事件探测，仍然是挑战。

生物反应工程过程的在线监控

生物反应工程指通过规模化培养微生物、植物或动物细胞来生产工业品、药品或食品等的工艺过程。过程自动控制对提高生产率和节能环保有重要意义。已经实现了物理和化学参数的检测与控制，但生物参数如生物量、代谢物、底物和产物的在线监测仍然是难题，主要障碍是生物元件不耐受生物反应器内部的高温高压灭菌环境。

目前的监控方式是在生产过程中从生物反应器中采样分析（又称“离线分析”），或经过滤器做引流分析。此外，由于缺乏合适的酶电极，对微生物中间代谢物的检测也比较困难。借鉴合成生物学手段构建级联酶传感器或全细胞代谢生物传感系统，或许能够解决这个问题。生物参数的在线监控是生物反应工程过程实现全流程自动化的最后堡垒，亟待攻克。

生物传感器与现场监测

生物传感设备因其便携性和测定快速而十分适合现场应用。应用场景如：水体、土壤和大气环境指标（有机物、重金属等）的测定，污水处理工艺过程控制指标监测，农田肥力检测，食品成分、添加剂及污染物的现场检测，生物反恐现场侦检，口岸检疫及违禁化合物检测，特殊环境（如航空、深海、极地等）的生物和环指标监测，重症患者的床边即时检测（point-of-care-testing， POST）监护等。随着人们生活质量的提升，相关需求越来越旺盛。

生物传感元件的稳定性研究

生物传感元件的稳定性差仍然是其广泛应用的最主要限制因素。目前有多种解决办法：

1. 通过分子进化或蛋白质工程方法提升生物元件的稳定性；

2. 嗜极端环境生物的细胞元件通常稳定性较好，可选作生物传感敏感元件；

3. 在生物敏感元件的贮存期添加稳定剂和保护剂，以延长货架寿命；

4. 利用模拟酶或分子印迹技术取代天然酶，它们的稳定性很好，但需要提升催化活性；

5. 核酸适配子的稳定性优于蛋白质分子，已在一些场合取代抗体用作分子识别元件；

6. 利用无机纳米材料的类酶效应来取代天然酶（主要是过氧化物酶），这是中国学者的创新性贡献。

国家颁布了《“健康中国 2030”规划纲要》，健康中国上升为国家战略，推动大健康从概念走向实施，也因此使生物传感研究获得新的动力。生物传感以其快速、准确、便携等诸多特点，在慢病监护与管理、POCT、远程医疗与个体化医疗、食品安全与环境污染监测等，将能发挥独特的作用。为此，建议国家相关计划和专项给予高度关注并加强部署。

生物传感 50 年的持续发展，得益于生命科学、物理学、化学、材料科学和信息技术等多个学科交叉融合。如今，要满足大健康发展的需求，生物传感研究还存在一系列挑战。

新时期，合成生物学、人工智能、纳米技术、大数据等新兴学科领域的发展与融合，将可能产生新思想、新原理和新方法，促进生物传感技术难题的解决，并提升生物传感性能、赋予其新的功能和特性。

张先恩    中科院生物物理所研究员。1993年在中科院武汉病毒所晋升研究员，从事生物传感、纳米生物学和分析微生物研究，发表研究论文240篇、生物传感和生物芯片相关专著3本。曾在科技部基础研究司从事基础研究宏观管理。目前兼任中国生物工程学会副理事长，亚洲生物技术协会（AFOB）顾问和纳米生物技术、生物传感与生物芯片分会共同主席，Biosensors &Bioelectronics 等7个科技期刊的编委、顾问，APEC首席科学顾问组织（CSAE）中国代表。2015年被加拿大Alberta大学授予名誉科学博士学位。

文章节选改编自：

张先恩. 生物传感发展50年及展望. 中国科学院院刊, 2017, 32(12): 1271-1280.

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