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(cè)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(zhǎng)的檢測(cè)時(shí)間，難以滿足快速診斷和居家健康監(jiān)測(cè)的需求，因此亟需開發(fā)便攜、快速和精準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)。即時(shí)檢測(cè)（Point-of-care testing， POCT）區(qū)別于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)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(cè)。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(cè)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(lái)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(lái)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(cè)；評(píng)述

近年來(lái)，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(cè)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(cè)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(cè)的需求。因此，亟需開發(fā)便攜、快速和精準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)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(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展，即時(shí)檢測(cè)（Point-of-care testing， POCT）成為了可能。POCT 是指在采樣現(xiàn)場(chǎng)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(cè)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(lái)，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(jiǎn)單化以及報(bào)告結(jié)果即時(shí)化的POCT 得到了越來(lái)越多的發(fā)展和應(yīng)用。從1993 年我國(guó)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(cè)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(cè)技術(shù)，呈快速發(fā)展的態(tài)勢(shì)。

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(cè)、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(chǎng)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(cè)，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(jiǎn)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(cè)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(chǎng)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(jiǎn)單實(shí)用的優(yōu)勢(shì)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(cè)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(cè)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(cè)物的準(zhǔn)確定量檢測(cè)[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(lái)的誤差且更易普及，使檢測(cè)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(cè)定方法之一。

1.1 生物小分子的檢測(cè)

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(cè)具有重要意義。

1.1.1 過氧化氫的檢測(cè)

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(cè)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(cè)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(wú)酶μPAD，使檢測(cè)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(cè)

葡萄糖是生物體內(nèi)新陳代謝過程中不可或缺的營(yíng)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(cè)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(cè)血糖的方法是采集血液樣本檢測(cè)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(cè)， 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(cè)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(cè)。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(cè)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(cè)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(cè)， LOD 為35 μmol/L。但是， μTPAD 為非密閉環(huán)境，其檢測(cè)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(cè)

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(cè)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(cè)待測(cè)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(cè)，乳酸的LOD 為1.0 mmol/L， pH 值的測(cè)量范圍為4.0～8.0。

1.1.4 其它生物小分子的檢測(cè)

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(cè)。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(cè)。當(dāng)加入待測(cè)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(cè)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(cè)，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(cè)定和定量分析，對(duì)UA 檢測(cè)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(cè)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(cè)雖然避免了有創(chuàng)檢測(cè)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(cè)

核酸檢測(cè)對(duì)于病毒載量監(jiān)測(cè)和疾病診斷具有重要意義。目前，核酸比色檢測(cè)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(wú)法產(chǎn)生肉眼可辨的顏色變化?；诖?， Aydin 等[25]利用陽(yáng)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(cè)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(cè)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(cè)， 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(cè)。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(cè)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(cè)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(cè)試時(shí)間長(zhǎng)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(cè)方法和技術(shù)，并完善硬件制造工藝。

1.3 多組分檢測(cè)

與單一生物標(biāo)志物檢測(cè)相比，生物標(biāo)志物多組分同時(shí)檢測(cè)不僅可提高疾病診斷的準(zhǔn)確性[30]，而且可簡(jiǎn)化分析程序、提高檢測(cè)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(cè)指標(biāo)[31]。Xu 等[32]開發(fā)了一種無(wú)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(cè)（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(cè)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(cè)。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(cè)量精度高于市售的pH 試紙，并且避免了肉眼判斷帶來(lái)的誤差。同時(shí)，可借助無(wú)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(cè)結(jié)果，可為未來(lái)家庭健康監(jiān)測(cè)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(cè)量的準(zhǔn)確度，而且檢測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)

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(cè)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(chǎng)快速定量檢測(cè)。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(wú)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(cè)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(cè)生物小分子過程中，利用汗液和淚液作為待測(cè)液的這種非侵入性檢測(cè)極大地降低了患者的疼痛感，為生命體征的監(jiān)測(cè)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(cè)[39]，這或許比汗液檢測(cè)更具前景。

2.2 生物大分子的檢測(cè)

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(cè)體系，對(duì)水樣中的諾如病毒進(jìn)行了靈敏即時(shí)檢測(cè)。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(cè)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(cè)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(cè)。

熒光傳感器已成為生物大分子檢測(cè)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(cè)[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(zhǎng)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(cè)能力。

2.3 細(xì)菌的檢測(cè)

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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)技術(shù)是未來(lái)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(cè)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，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(cè)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(cè)

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]。抗壞血酸氧化酶（AAOx）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(cè)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)?；诖嗽恚檬殖肿贤鉄艉椭悄苁謾C(jī)，實(shí)現(xiàn)了AA 的“Signal-off”和AAOx 的“Signal-on”可視化檢測(cè)， AA 的線性檢測(cè)范圍和LOD 分別為5～500 μmol/L 和0.13 μmol/L，AAOx 的線性檢測(cè)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(cè)范圍廣、設(shè)備簡(jiǎn)單及安全易操作等優(yōu)勢(shì)，是現(xiàn)場(chǎng)POCT 的最佳檢測(cè)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(lái)，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(shì)而受到廣泛關(guān)注[51]。

3.1 生物小分子的檢測(cè)

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(cè)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(cè)

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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)

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(zhǎng)、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(cè)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(zhǎng)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(cè)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(cè)和健康管理。但是， ECL 檢測(cè)很少用于便攜式傳感器，因?yàn)槌Ｓ玫墓怆姳对龉埽≒MT）探測(cè)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(cè)

人體的直接能量來(lái)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(cè)ATP 含量的便攜裝置對(duì)健康監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)

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(cè)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(cè)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(cè)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(wú)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(cè)

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(cè)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(cè)，構(gòu)建了基于智能手機(jī)的E. coli 檢測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)。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(cè)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(cè)多種標(biāo)志物的智能手機(jī)可視化生物傳感器是POCT 未來(lái)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)存在誤差。為實(shí)現(xiàn)不同手機(jī)對(duì)同一待測(cè)物的檢測(cè)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(jiǎn)化并優(yōu)化智能手機(jī)APP 操作方法也有助于檢測(cè)方法的推廣普及。

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國(guó)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(guó)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。