智能手機在生化傳感分析中的應用進展

王甜甜，王潤月，張志鋒，青琳森*

(1.西南民族大學 藥學院,四川 成都 610041；2.中國科學院 成都生物研究所,四川 成都 610041)

智能手機作為現代化電子技術迅猛發(fā)展及逐年普及最典型的智能代表，結合互聯網技術的全覆蓋，給人們的生活及工作帶來了極大的改變[1]。隨著技術的進步，手機已經不再是一個簡單的通信工具，而是具有綜合功能的便攜式電子設備。智能手機具有多種傳感器，如：光線傳感器、紫外線傳感器、全球定位系統(Global positioning system，GPS)等，這在豐富手機功能的同時，也使得手機生化檢測有望成為一種用于精確醫(yī)學的快速、便攜式生化檢測方法[2]，如基于智能手機的顯示、數據傳輸、存儲和分析功能，開發(fā)以智能手機為載體的疾病診斷即時檢驗(Point-of-care testing，POCT)分析儀[3- 4]。

有研究將生化傳感器與智能手機結合，使得手機可在實驗室外進行便攜式醫(yī)療診斷[5]。智能手機在傳感器和生物電子系統中的應用可以取代輸入按鈕、數據分析儀、屏幕顯示甚至探測器這些原本在讀出設備中的設置，有效簡化電子設計，最小化體積大小，降低系統的總體成本，可在實驗室外進行便攜和現場測試。因此，基于智能手機的生化傳感器可以在環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷和食品分析方面發(fā)揮關鍵作用[6-8]。特別是近年來智能手機的快速發(fā)展、大規(guī)模生產和普及，保證了智能手機可便捷且低成本的獲得，為基于智能手機的傳感器系統提供了大量的潛在用戶。此外，智能手機為人們提供了易于操作的平臺，將傳統的大體積生化傳感分析系統小型化，更激發(fā)了智能手機在生化傳感分析方面的熱潮。

本文綜述了便攜式智能手機在生化檢測方面的最新研究進展。智能手機在生化傳感分析中具有“兩技術，一手段”的特點。從檢測原理角度看，光學檢測和電化學檢測作為常見的便攜式設備檢測技術，應用十分廣泛；此外智能手機還作為一種無線通信手段參與到眾多的生化檢測中[9]。本文著重介紹了最為常用的光學檢測技術，包括顯微成像、比色法檢測、環(huán)境光傳感器、化學發(fā)光、表面等離子體共振5個方面。此外，總結整理了智能手機集成傳感器技術的性能和優(yōu)點及其在生化檢測中的應用。

1 生化傳感分析中智能手機的“兩技術”

1.1 基于智能手機的光學檢測技術

利用智能手機上配備的高分辨率相機可將生物傳感器與智能手機結合用于光學檢測。第一個嘗試是基于智能手機的顯微鏡技術，其顯微成像可用于病情診斷(如：傷口圖像分析[8]和糖尿病視網膜病變[2])和生物成分檢測分析(如：血細胞成像[5,10]和微生物[4]檢測)等。隨著成像技術的進步，基于智能手機的顯微鏡技術目前已實現了納米級的分辨率，可用于檢測納米顆粒[11]、病毒[12]和DNA[13]。在智能手機顯微鏡成像和光強測量的基礎上，還發(fā)展了熒光[14-15]、比色[16-18]、化學發(fā)光[19-20]、環(huán)境光傳感[21-23]及表面離子共振檢測技術[24-25]。特別是利用智能手機進行的比色檢測，因在醫(yī)療診斷中的應用而受到廣泛關注。作為臺式顯微鏡的替代品，基于智能手機的顯微鏡為樣品的顯微檢查提供了一個經濟有效且口袋友好的平臺，特別適合在資源有限的環(huán)境下使用。

1.1.1 顯微鏡成像以往糖尿病視網膜病變(Diabetic retinopathy，DR)只能由眼科醫(yī)生和受過訓練的閱片分級師通過常規(guī)桌面眼底照相機進行臨床檢查。但隨著手機眼底檢查和人工智能(Artificial intelligence，AI)算法的研究發(fā)展，已可通過智能手機對眼睛后部成像并記錄視網膜的變化，利用AI來進行視網膜圖像閱片分級，檢測DR，尤其是對有視力威脅的糖尿病視網膜病變的人[26-27]。Haan等[10]展示了一種基于智能手機的顯微鏡和機器學習算法，構建了一個經濟有效、便攜和快速的鐮狀細胞篩查框架，即使在資源有限的情況下，也能自動篩選血液圖片中的鐮狀細胞，完成鐮狀細胞貧血病的早期診斷。Yang等[28]設計了一種配備USB視頻類顯微鏡的智能手機，還開發(fā)了一個基于人工神經網絡的Android應用檢測程序(Kankanet)，主要用于檢測3種常見的通過土壤傳播的蠕蟲的卵：蚓蛔蟲、毛蛔蟲和鉤蟲。Cai等[4]利用智能手機顯微鏡對一個海馬切片進行Nissl染色掃描，并使用圖像鑲嵌算法對多個顯微圖像進行拼接。結果表明智能手機顯微鏡也有成為病理切片掃描系統的潛力。智能手機作為低成本診斷手段可以極大地改善發(fā)展中地區(qū)的醫(yī)療狀況。

此外,可通過在智能手機顯微鏡上安裝熒光過濾模塊進行熒光成像。熒光顯微鏡(Fluorescence microscope)以紫外線為光源照射被檢物體使之發(fā)出熒光，并在顯微鏡下觀察物體的形狀及所在位置。Dai團隊[29]研制了一種彩色液滴透鏡器件，并實現了基于智能手機的便攜式熒光顯微成像應用。Minagawa等[12]開發(fā)了一個簡單的基于智能手機的移動成像平臺(Mobile imaging platform,MobIP)用于數字生物檢測，并在MobIP上觀察到來自單個病毒顆粒的明顯熒光點。MobIP成像的信噪比比傳統顯微鏡成像的信噪比低，但其數字流感病毒計數的敏感性比商業(yè)快速流感病毒檢測試劑盒高100倍。Snow等[15]介紹了一種基于智能手機熒光顯微鏡的現場便攜式、定量檢測蜜蜂微孢子蟲的平臺，使用不同寄生蟲濃度的樣品測試了平臺的性能，測定結果與手工顯微鏡計數和聚合酶鏈式反應(Polymerase chain reaction，PCR)定量方法相當，每只蜜蜂的檢出限為0.5×106個孢子。該法易識別出受感染的蜂群，并能確定其感染程度。因此可能適用于在田間診斷微孢子蟲的感染情況。熒光圖像可進行實時觀察，結合無線網絡技術的移動顯微鏡有望成為醫(yī)學大數據終端的傳感節(jié)點，為在線生物醫(yī)學診斷提供重要的光學平臺。

1.1.2 比色生物傳感器比色法通過比較或測定有色物質顏色深度來確定待測組分含量，是快速檢測技術中最為常用的檢測方法。隨著智能手機圖片采集功能的不斷強大，可借助手機程序軟件完成對檢測區(qū)域圖片色度值的分析，確定待測樣品濃度與色度值的某種線性或者非線性關系，從而實現樣品的定量檢測。

筆者團隊[30]開發(fā)了一種基于智能手機RGB比色的尿糖定量測定方法，通過葡萄糖氧化酶催化氧化反應，優(yōu)化了辣根過氧化物酶-過氧化氫-3,3′,5,5′-四甲基聯苯胺(HRP-H2O2-TMB)體系，使其具有可靠的漸進褪色過程。該法使用色度值RGB來構建葡萄糖濃度的校準曲線，且顏色量化均通過智能手機APP來完成，不需要任何額外的儀器，促進了智能手機個性化生物傳感器應用的發(fā)展。在以往免疫分析法的實驗中，顏色變化的評估通常通過肉眼來完成，可能會因主觀因素和周圍條件而產生不確定性。智能手機以優(yōu)異的光譜功能解決了這一問題?；谥悄苁謾C比色的量化技術，不僅可以對人體的生理指標，如尿液中葡萄糖[30]、尿素[31]、pH值[18]等進行定量檢測，還可以將智能手機、圖像分析服務器和臨床試驗中的病例報表連接在一起，實現臨床試驗中皮膚損傷的自動跟蹤，通過傷口圖片分析，利用紅、黃、黑等顏色評估模型對患者的愈合情況進行判斷[8]；在環(huán)境水中汞離子[32]、鐵離子[33]及有毒氣體(如：氟化氫)[34]的檢測方面同樣具有巨大的潛力。圖1為基于智能手機RGB尿糖定量比色示意圖[30]。

圖1 基于智能手機RGB尿糖定量比色示意圖[30]Fig.1 Illustration of quantitative colorimetric of urine glucose based on smart phone RGB[30]

1.1.3 智能手機環(huán)境光傳感器環(huán)境光傳感器(Ambient light sensor ，ALS)可以感知周圍光線情況，自動調節(jié)屏幕亮度。不同于智能手機相機的比色檢測讀出方法，ALS不需要相機和液體檢測之間的特定距離來調整相機的焦距，附件可直接連接到ALS進行液體透射光強度測量，比分光光度法更準確。筆者團隊[21]基于智能手機ALS建立了一種無標記的尿糖比色法。在HRP-H2O2-TMB體系中，尿液中的葡萄糖氧化產生的過氧化氫會使氧化態(tài)的TMB(ox TMB)減少，溶液顏色由藍色變?yōu)闇\藍色。從而可基于顏色變化，使用智能手機環(huán)境光傳感器測量透射光的強度來計算尿糖的含量。Chen團隊[22]開發(fā)了一種集成了環(huán)境光傳感器和3D打印附件的智能手機比色閱讀器來測量液體的透射光強度的新方法，并對玉米烯酮進行了定量分析。而Park等[23]通過測試不同類型的環(huán)境光條件，包括室外陽光和室內熒光，發(fā)現環(huán)境光生物傳感器可在沒有任何光源限制的情況下實現測定，在各種光照條件下具有較高的靈敏度和準確性。智能手機的ALS作為潛在的內置傳感器可檢測的范圍越來越廣泛，不僅可用于臨床診斷[21]、農作物檢測[22]，還可用于環(huán)境汞污染的檢測[35]。

1.1.4 化學發(fā)光傳感器化學發(fā)光(Chemiluminescence，CL)是在沒有光源和光譜系統的情況下通過化學反應產生的光輻射，在信噪比、靈敏度和線性范圍方面有顯著優(yōu)勢[19-20]。CL生物檢測已成為臨床診斷的主要技術之一。Ghosh等[36]開發(fā)了一種新型的微通道毛細管流動測定平臺，該平臺可用凍干化學發(fā)光試劑進行基于化學發(fā)光的酶聯免疫吸附測定，并可使用定制的光學檢測器通過USB-OTG(On-The-Go)端口輕松地與智能手機通信，實現對疾病的POCT檢測。Li等[37]首次將雙層紙基微流控芯片和智能手機結合，開發(fā)了用于多重免疫分析的時間-空間-彩色多分辨CL成像檢測系統。雙層紙基微流控襯墊頂層有注射區(qū)，在毛細管力的驅動下，可通過親水微通道自動、有序地輸送反應試劑至3個檢測區(qū)域，自動觸發(fā)CL和共振能量轉移反應，并通過智能手機攝像頭記錄時間-空間-彩色多分辨CL成像信號。該法可用于多重測定3種模型癌癥生物標志物，包括癌胚抗原、甲胎蛋白和前列腺特異抗原，具有靈敏度高、選擇性好、操作簡單、成本低和現場化的特點，避免了復雜的標記程序和鄰近檢測區(qū)域的干擾。

1.1.5 智能手機的表面等離子體共振生化傳感器表面等離子體共振(Surface plasmon resonance，SPR)傳感器是一種利用測量表面等離子波的共振角計算樣品折射率的光學傳感器，具有靈敏度高、實時、無標簽等優(yōu)點，在蛋白質檢測中得到了廣泛應用[38-39]。

基于智能手機的SPR傳感器檢測系統已可用來檢測水中的脂多糖(內毒素)[24]、生理溶液的相對介電常數[40]，以及定量檢測多種腫瘤標志物[39]。Zhang等[24]將手機內置閃光燈和互補金屬氧化物半導體(Complementary metal oxide semiconductor，CMOS)圖像傳感器作為光纖檢測裝置，對Au光柵傳感器芯片進行合成肽受體修飾，利用光柵耦合表面等離子體共振(Grating-coupled SPR，GC-SPR)法檢測了水中的脂多糖(內毒素)，檢測限為32.5 ng/mL。Lertvachirapaiboon等[41]基于銀納米柱對光子能量有強吸收，易發(fā)生局域表面離子共振光學現象的原理，在過氧化氫濃度10～300 μmol/L范圍內，通過用智能手機攝像頭采集微通道中納米銀膠體溶液的圖像，觀察到其綠色色值水平變化與過氧化氫濃度之間的良好線性關系，并通過智能手機攝像頭采集微通道中的納米銀膠體溶液，定量測定了過氧化氫濃度。Dutta團隊[25]將重量輕、簡單的實驗室光學元件與手機攝像模塊集成在一起，設計了一個像素分辨率為0.336 nm/pixel的可見分光光度計。該智能手機分光光度計可以記錄由于金納米粒子(AuNPs)和不同濃度分析物(蛋白質和酶)結合而產生尺寸改變導致的局域表面等離子共振(LSPR)峰值吸收波長的變化，進而檢測AuNPs的大小及與其偶聯的生物分子的濃度。與實驗室級標準紫外-可見分光光度計對BSA蛋白和胰蛋白酶的定量檢測進行比較，發(fā)現設計的傳感器具有很高的可靠性。隨著各種技術的發(fā)展，簡單的光學設計和低成本光學元件的參與，將使基于智能手機的SPR生化傳感技術具有更加廣闊的應用前景。

1.2 基于智能手機的電化學檢測技術

電化學分析具有高靈敏度、高特異性和便捷性，已廣泛應用于環(huán)境監(jiān)測、安全評價和健康追蹤中分析物(如蛋白質、核酸和代謝物)的定量檢測。然而，傳統的電化學生物傳感器通常價格昂貴，體積龐大，而且僅限于訓練有素的人員使用。而智能手機提供了一個有前途的平臺，可實現對電化學測量的控制、記錄和實時顯示。

Li等[7]將具有高效轉化能力的二氧化硅納米孔膜修飾絲網印刷電極應用于基于智能手機的硝基芳香族爆炸物電化學發(fā)光檢測系統，該系統以電化學阻抗譜為基礎，對硝基芳香類爆炸物的檢測限為2.3×10-9mg/mL。Guo[42]將一次性電解尿酸試紙經特定接口連接到與智能手機集成的電化學模塊上，以計時安培分析法為基礎，在智能手機邊緣的槽取3 μL全血即可測定尿酸。Ji等[43]開發(fā)了一種基于智能手機的集成伏安系統，該系統以伏安法為基礎，通過石墨烯和金納米顆粒修飾的印刷電極對電流響應進行分析，可同時檢測抗壞血酸、多巴胺和尿酸。為使電化學檢測實現手持實時監(jiān)測和快速檢測，將智能手機和電化學傳感器結合，已成為一個熱門研究方向。

2 生化傳感分析中智能手機的無線通信手段

智能手機作為一種無線通信手段參與到眾多的生化檢測中，如智能手機的WIFI、藍牙和近場通信(Near field communication，NFC)都具有無線信息傳輸功能。已有研究將一種集成微流體電化學探測器[44]通過標準WIFI網絡進行無線編程，并將所有的電化學數據都上傳到一個開源的服務器上，實現了對葡萄糖的檢測。Wang等[45]首先通過在膜(紙)電極上捕獲從全血中分離的白細胞，使便攜式恒電位器上產生伏安信號，然后將獲取的電化學感應電流通過藍牙傳輸到智能手機上，最后通過智能手機的應用程序對收集的數據進行分析，計算出相應的白血球濃度值。Steinberg等[46]研制出一種無線安培電位器，既可作為電池供電，又高度便攜(信用卡大小)，適用于移動和可穿戴電位器電化學傳感測量，并能夠將數據無線傳輸到移動計算設備。這一成果解決了低成本和可穿戴式的化學傳感器與無處不在的移動通訊產品之間連接“缺失的一環(huán)”。Ma團隊[6]嘗試利用智能手機記錄NFC信號進行肉類變質檢測。將配有傳感器的標簽放置在生肉塊旁邊，然后在86 ℉(30 ℃)溫度下放置24 h，當傳感器檢測到足夠多(即肉類變質)的生物胺時將自動開啟NFC標簽，無線傳輸警報至位于肉類約4英寸(10 cm)內的智能手機上的應用程序上。

NFC是一種新興的電子標簽與智能手機通信的短距高頻無線技術，具有無線、無源、體積小，適合小文件，超低功耗等特點。NFC可在不同的環(huán)境中安裝傳感器并進行測量，適用于環(huán)境監(jiān)測、健康診斷以及物聯網等領域。然而，NFC傳感器也有明顯的缺點，如大多數智能手機NFC模塊只能用于定性測試，不能進行定量檢測。智能手機與檢測設備之間的無線數據通信方式除NFC外還有WIFI、藍牙等。在通信距離上，藍牙比NFC長，具有非常高的數據傳輸速率，適合實時數據傳輸；而WIFI 是一種允許電子設備連接到一個無線局域網(WLAN)的技術。

3 結論與展望

本文主要綜述了基于智能手機的光學檢測技術(包括顯微鏡成像、比色生物傳感器、環(huán)境光傳感器、化學發(fā)光傳感器、SPR傳感器)和電化學檢測技術以及智能手機在生化傳感分析中強大的通信手段?；诟呦袼嘏渲?、更專業(yè)的微距鏡頭及大屏幕顯示器智能手機的生化檢測，可以獲得更清晰的生物成分(如細胞、微生物等)成像圖片。智能手機強大的通信手段如：NFC、WIFI、藍牙，在數據分析和傳輸方面也發(fā)揮著強大的作用。

隨著更多的功能模塊的研究與發(fā)展，在不久的將來，許多傳感器(如磁、引力、熱傳感器等)和生物電子學均可集成在智能手機上，采用智能手機進行不同的生化檢測將有望實現。然而，基于智能手機的傳感器系統目前多進行實驗室研究，很少用于現場分析。因此，需要在智能手機的傳感器制造、數據通信和處理算法方面進行更多的工作，以提高性能，保持可攜帶性，并降低成本。

與不同類型的檢測技術相結合的智能手機，可對多種不同類型的物質進行現場、快速的定性或定量檢測?？梢灶A見，基于智能手機的便攜式生化檢測技術將會迎來前所未有的發(fā)展機遇，在食品、環(huán)境和醫(yī)療領域具有更廣闊的應用前景。