生物传感器功能:我们能测量什么?
了解生物传感器能够测量什么、如何测量以及如何利用这些传感器的进步来创建创新的可穿戴或联网医疗设备。
自 1962 年发明第一个酶电极以来，生物传感器已经取得了长足的进步。今天，我们拥有多种不同类型的生物传感器，可以测量数十种生理和生化参数。
在这里，我们将了解医疗行业使用的不同类型的生物传感器以及它们允许我们测量的多种物质。
什么是生物传感器？
生物传感器是一种复杂的分析设备，它将生物成分与物理化学检测器结合起来，以测量特定物质的存在或浓度。
这些设备使用生物受体（如酶、抗体或核酸）来操作，这些受体会与目标分析物发生特异性相互作用。然后，传感器会将这种相互作用转换成可测量的信号，并处理和显示数据，通常通过连接的设备进行。
在医疗技术领域，这些传感器是检测和监测各种生物标记的关键工具，可提供可用于诊断、疾病管理和治疗干预的实时数据。
生物传感器的类型
医学领域广泛使用多种类型的生物传感器。每种生物传感器都采用不同的机制来实现其目标。
电化学生物传感器是最常见的传感器之一，包括用于糖尿病管理的血糖仪，它通过检测酶促反应产生的电信号来测量血糖水平。
光学生物传感器利用光来检测生物元素的变化。这类传感器通常用于免疫测定和 DNA 测序。
基于场效应晶体管 (FET) 的生物传感器利用场效应晶体管的原理来检测生物或化学物质。这些传感器利用 FET 电气特性的变化来测量特定分析物的浓度。
压电生物传感器可测量机械变化，例如质量或压力变化，常用于检测病原体和监测血液凝固。
生物发光传感器利用生物发光生物或酶来产生光作为对特定生化反应的响应。发出的光作为可测量信号，指示特定分析物的存在或浓度。它们通常用于检测细菌污染、监测细胞过程和评估代谢活动等应用。
半导体生物传感器是利用半导体材料，通过电特性的变化来检测生物或化学物质。
抗体生物传感器，又称免疫测定型传感器，使用抗体作为主要识别元素来检测和量化特定目标分子（称为抗原）。这些生物传感器利用抗体与其相应抗原之间的高度特异性结合相互作用来提供灵敏而精确的测量。
热生物传感器可检测由生化反应引起的热量变化，通常用于基于酶的分析。
基于核酸的生物传感器利用核酸（例如 DNA 或 RNA）作为生物识别元件来检测特定的遗传物质或序列。这些生物传感器在医疗诊断和生物技术领域特别有价值。
NIR 光谱生物传感器利用近红外光测量生物组织中特定分子（如葡萄糖）的浓度。通过分析 NIR 光的吸收和反射模式，传感器可以确定目标分子的浓度。
离子选择性电极 (ISE) 传感器广泛应用于医疗行业，尤其是临床诊断。这些传感器用于测量血液、尿液和血浆等生物体液中各种离子的浓度。
比色生物传感器可检测目标分析物与试剂或传感元件相互作用时发生的颜色变化。
荧光生物传感器根据物质在暴露于特定波长的光时发出荧光的能力来检测和量化物质。
基于流式细胞术的传感器可分析和量化流体中的各种细胞特征。这些传感器的工作原理是让一束细胞或粒子逐个通过激光束，然后测量细胞发出的散射光和荧光。
每种类型的生物传感器都有其独特的优势，应根据医疗应用的具体要求选择用于传感器设备。
我们能衡量什么
由于如今有多种不同类型的生物传感器，我们可以测量越来越多的目标物质。
下面我们来简单了解一下当前生物传感器能够测量的物质。
酶和蛋白质
肌酐。测量这些水平对于评估肾功能、诊断肾脏疾病和监测慢性肾脏疾病的进展至关重要。酶法、比色法、荧光法和电化学传感器均可用于测量肌酐。
血红蛋白。该测量对于诊断和管理贫血、监测整体血液健康以及评估呼吸和心血管功能至关重要。许多类型的生物传感器可用于测量血红蛋白，包括光学、电化学、比色和荧光传感器。
C 反应蛋白。CRP测量很重要，因为它们是炎症的关键生物标志物，有助于诊断和监测炎症状况，例如感染、自身免疫性疾病和慢性炎症性疾病，以及评估治疗效果。抗体、电化学、比色和荧光传感器都用于追踪此标记物。
胆红素。监测这种物质对于诊断和跟踪肝功能、评估新生儿和成人的黄疸以及评估肝病、溶血和胆管阻塞等情况至关重要。许多类型的生物传感器（包括比色、电化学、荧光和光学）都可用于测量胆红素。
白蛋白。这些测量对于评估肝肾功能、诊断和监测肝病、肾病综合征和营养不良等病症以及评估体内整体蛋白质平衡至关重要。用于测量白蛋白水平的生物传感器包括抗体、比色、荧光和电化学传感器。
丙氨酸氨基转移酶。ALT测量对于诊断和监测肝功能至关重要，因为 ALT 水平升高可能表明肝脏受损或因慢性疾病（如肝炎、脂肪肝或肝硬化）而发炎。比色、电化学、荧光和抗体传感器均可用于测量 ALT。
天冬氨酸转氨酶。AST测量对于诊断和监测肝功能和肌肉疾病至关重要，因为 AST 水平升高可能表明肝损伤、心肌梗塞或肌肉损伤。用于检测 ALT 水平的相同类型的生物传感器可用于测量 AST。
γ-谷氨酰转移酶。这种酶的水平对于诊断和监测肝病、胆道疾病和酒精滥用至关重要。GGT 可以用与此处列出的其他酶相同的生物传感器来测量。
肌酸激酶。该测量对于诊断和监测肌肉损伤、心肌梗塞和某些肌肉疾病至关重要，因为 CK 水平升高可能表明心脏或骨骼肌受损。比色法、电化学法、荧光法和抗体传感器均用于测量 CK 水平。
纤维蛋白原。测量纤维蛋白原对于评估血液凝固功能、诊断出血性疾病以及监测弥漫性血管内凝血和肝病等病症至关重要。这种糖蛋白复合物可以使用与酶相同的生物传感器进行测量。
胱抑素 C。跟踪该标记物对于评估肾功能和诊断慢性肾病非常重要，因为胱抑素 C 水平升高可表明肾功能受损，并且比单独使用肌酐更能准确评估肾小球滤过率。可以使用与纤维蛋白原相同的生物传感器来测量它。
心脏和心血管标志物
氧饱和度。氧饱和度是一种常见的基线健康测量指标，最常使用光学传感器进行测量。
心率。心率是另一种常见的基线测量指标，它为心血管健康提供了重要见解，有助于诊断和监测心脏状况，并有助于评估身体对体力消耗或压力的反应。心率通常使用光学传感器进行测量，但也可以使用心电图和压电生物传感器。
血压。跟踪这一生命体征有助于诊断和管理心血管疾病，如高血压和心脏病，监测治疗效果，并评估整体心脏健康状况。为此目的，我们采用了多种专用传感器，包括示波传感器、听诊传感器和眼压传感器以及光学传感器。
肌钙蛋白。该测量对于诊断和治疗急性心肌梗塞（心脏病发作）和其他心脏病至关重要。各种类型的生物传感器可用于测量肌钙蛋白，包括抗体、比色、荧光和电化学传感器。
脑钠肽。测量脑钠肽水平对于诊断和治疗心力衰竭至关重要，因为水平升高表明心脏压力增加和液体超负荷，这在充血性心力衰竭等情况下很常见。用于肌钙蛋白的相同类型的生物传感器也适用于此标记物。
凝血酶原时间。凝血酶原时间测量用于评估血液凝固功能、诊断凝血障碍、监测接受抗凝治疗的患者以及管理出血和血栓风险。电化学、抗体、比色和荧光传感器都可用于此。
活化部分凝血活酶时间。该测试对于评估血液凝固级联的固有和常见途径、诊断和监测出血性疾病以及管理接受肝素治疗的患者至关重要，因为异常的 aPTT 可能表明凝血因子功能或抗凝治疗存在问题。可以使用与 PT 相同类型的生物传感器来完成该测试。
D-二聚体。这种蛋白质片段用于诊断和监测与血液凝固异常相关的病症，例如深静脉血栓形成、肺栓塞和弥漫性血管内凝血。用于测量酶的相同类型的生物传感器也可用于测量这种蛋白质的水平。
血液成分和代谢物
葡萄糖。这是使用生物传感器测量的最知名物质之一，是糖尿病诊断和管理的重要指标。可以使用多种不同类型的生物传感器测量血液和皮下液中的葡萄糖水平，包括电化学、光学和近红外光谱传感器。
乳酸。这是监测代谢活动的重要生物标志物，尤其是在运动医学和临床诊断中。可以使用多种类型的生物传感器进行测量，包括电化学、光学、近红外光谱和压电。
皮质醇。监测这种激素对于诊断和监测与压力、肾上腺功能以及库欣综合征和阿狄森氏病等疾病相关的病症至关重要，对于评估身体对压力的反应和整体激素平衡也至关重要。为了测量皮质醇水平，人们采用了各种生物传感器，包括抗体、电化学、荧光和光学传感器。
尿酸。测量这种物质对于诊断和管理痛风、肾结石和代谢紊乱等疾病非常重要。许多类型的生物传感器可用于测量尿酸水平，包括电化学、光学、压电和基于酶的传感器。
胆固醇。这一重要的健康参数可以使用几种不同类型的传感器进行测量，包括电化学传感器、比色传感器、基于荧光的光学传感器、基于 FET 的传感器和 ISE 传感器。
糖化血红蛋白 A1c。跟踪该测量值对于监测糖尿病患者的长期血糖控制至关重要。用于测量糖化血红蛋白 A1c 的最常见生物传感器是抗体、比色、荧光和电化学传感器。
白细胞计数。该测量用于诊断和监测各种病症，包括感染、炎症疾病和血液病。这里使用各种类型的生物传感器，包括基于流式细胞术的传感器、电化学传感器、比色传感器和光学传感器。
红细胞计数。监测红细胞对于诊断和管理贫血、红细胞增多症和各种血液病等疾病非常重要。所有用于白细胞计数的生物传感器类型也适用于此。
血小板计数。这些测量对于诊断和管理与血液凝固和出血性疾病相关的病症至关重要，例如血小板减少症（血小板计数低）或血小板增多症（血小板计数高）。用于测量血细胞计数的生物传感器类型也可用于测量血小板计数。
中性粒细胞计数。监测中性粒细胞水平对于诊断和追踪各种与免疫系统相关的疾病（包括感染、炎症性疾病和某些癌症）非常重要，因为异常的中性粒细胞水平可能表明存在潜在感染、免疫反应障碍或骨髓病变。用于计数血细胞的四种生物传感器类型也可用于此。
肾小球滤过率。GFR测量对于评估肾功能以及诊断和监测慢性肾病至关重要。抗体、比色、荧光和电化学传感器可用于测量 GFR。
胰岛素。血液中的胰岛素含量可用于诊断糖尿病和其他代谢紊乱，因为异常的胰岛素水平可能表明血糖调节存在问题，例如胰岛素抵抗或胰岛素分泌不足。用于测量 GFR 的生物传感器也可用于测量胰岛素水平。
脂质、营养素和离子
电解质。跟踪电解质可提供有关身体液体和电解质平衡的重要信息，这对于诊断和管理与水合、肾功能和代谢紊乱相关的病症至关重要。许多类型的生物传感器可用于测量电解质，包括 ISE、电导率、光学传感器和基于 FET 的传感器。
钠。钠离子浓度是临床诊断和运动医学中的关键参数。可以使用各种类型的传感器测量血液或汗液中的钠浓度，包括光学、酶基、FET 基和 ISE 传感器。
钾。这是另一种在临床诊断中很重要的离子。可以使用基于 FET、基于酶、光学和 ISE 的传感器进行测量。
钙。这是一种必需离子，参与许多生理过程，包括骨骼健康、肌肉功能和细胞信号传导。有几种类型的生物传感器可用于测量钙水平，包括 ISE、基于 FET 的传感器、光学传感器和基于酶的传感器。
pH。在医学界，pH 测量在临床诊断和环境监测中至关重要。可以使用各种传感器测量 pH，这些传感器采用不同的机制来检测溶液中的氢离子浓度，包括电化学、光学和 ISE。
维生素 D。测量体内这种维生素的浓度对于评估骨骼健康、诊断和管理骨质疏松症、佝偻病和维生素 D 缺乏症等疾病以及评估整体代谢健康至关重要。各种类型的生物传感器可用于测量维生素 D，包括抗体、荧光、比色和电化学传感器。
甘油三酯。心血管问题和一些代谢紊乱都与甘油三酯水平升高有关，因此甘油三酯是一种需要跟踪的重要脂质。可以使用比色法、酶法、荧光法和电化学生物传感器测量甘油三酯。
维生素 B12。贫血、神经系统疾病和吸收不良问题都可能受到维生素 B12 水平的影响。医生可以使用抗体、比色、荧光或电化学传感器监测这些水平，以协助诊断和治疗。
镁。测量镁浓度对于诊断和管理与镁失衡相关的疾病（如心血管疾病、肌肉和神经疾病以及代谢失衡）至关重要。这里使用多种类型的生物传感器，包括离子选择性电极、比色、荧光和电化学传感器。
锌。锌缺乏和中毒都令人担忧，因为失衡会导致伤口愈合不良、生长迟缓和神经问题。用于测量镁的生物传感器也可用于检测锌含量。
激素和激素相关标志物
促甲状腺激素。TSH测量对于诊断和治疗甲状腺疾病（如甲状腺功能减退和甲状腺功能亢进）至关重要。各种类型的生物传感器可用于测量 TSH，包括抗体、比色、荧光和电化学生物传感器。
游离甲状腺素。FT4水平反映可用于代谢活动的未结合甲状腺激素的量，有助于评估甲状腺功能和激素平衡。这种测量可以用与 TSH 相同的生物传感器来完成。
前列腺特异性抗原。PSA用于筛查前列腺癌、良性前列腺增生和前列腺炎。 抗体、比色法、荧光法和电化学传感器均可用于测量该抗原，以协助早期诊断和管理这些疾病。
雌二醇。这种激素的水平会影响生殖健康、月经周期和骨密度。使用与 PSA 相同类型的生物传感器可以获得准确的测量结果，这对于诊断与激素失衡相关的病症非常重要。
睾酮。测量睾酮对于诊断和管理与激素失衡相关的疾病（如性腺功能低下、不孕症和激素敏感性癌症）以及评估性发育和整体健康至关重要。用于测量雌二醇的生物传感器类型也可用于测量睾酮。
儿茶酚胺。儿茶酚胺（包括肾上腺素和去甲肾上腺素）的精确测量有助于评估肾上腺和交感神经系统的活动，指导高血压和惊恐发作等疾病的治疗，并监测对压力的反应。生物传感器（例如抗体、比色、荧光和电化学传感器）可让医生准确跟踪这些水平。
其他健康指标
请在微信客户端打开
酒精。用于测量酒精含量的生物传感器对于从医疗诊断到执法等各种应用都至关重要。最常用的生物传感器类型包括电化学、光学和半导体传感器。
体温。跟踪这一测量值对于诊断和监测发烧、感染和其他影响体温调节的疾病至关重要，对于评估整体健康状况和指导治疗决策也至关重要。各种特殊类型的生物传感器可用于测量体温，包括热电偶、热敏电阻、红外传感器和电子温度计。
利用生物传感器推进医疗保健
利用生物传感器的多种测量功能，可以提供各种生理和生化参数的精确实时数据，从而显著促进医疗保健的发展。结合使用多传感器可穿戴设备和测试平台等这些功能，可以进一步增强其实用性，从而实现更有效、更个性化的治疗策略。
请在微信客户端打开
该领域的其他创新有可能进一步改变医疗保健。纳米生物传感器的进步可以提供前所未有的灵敏度和特异性，从而能够以最小的侵入性在分子水平上早期检测疾病。集成人工智能的可穿戴生物传感器可以提供持续、自动化的健康监测和预测分析，在潜在健康问题变得严重之前提醒患者和医疗保健提供者。
芯片实验室技术可使复杂的诊断测试在护理点快速且经济地进行，从而减少大量实验室工作的需要并加快治疗决策。生物传感器与远程医疗平台相结合可促进远程患者监控和管理，使医疗保健更加便捷和高效。
总的来说，这些进步有望通过利用现代生物传感器的综合测量能力来提高诊断准确性、个性化治疗并改善整体患者治疗效果。