生物电催化是将生物催化和电催化结合起来的一个跨学科研究领域,它利用生物酶加速电化学反应的进行。生物电催化技术在生物传感中具有较好的应用趋势。具体来说,主要用于微量样品预处理和低功率可穿戴传感技术等。比如,纸基生物传感器和纹身型生物传感器。
首先来看纸基生物传感器,其典型的应用有妊娠试验、肿瘤(肝癌)检测、葡萄糖电化学检测等。纸基传感器的优点是方便、快速、环保,易量产。当然缺点也比较明显,如材料韧性差、生物属性的稳定性差等。从发展趋势上看,2017年发表的关于纸基生物传感器文章达693篇,可见已经成为一个研究的重点领域。作为纸基传感器的重要改进,纳米纤维素纸基生物传感器可解决现技术存在的内部孔隙大,表面粗糙等导致的检测效率和准确度差的问题。可见,采用纳米材料技术改善纸基传感器的性能的相关研究是未来可期的。上海交通大学医学院分子医学研究院研究员左小磊团队与济南大学于京华教授团队合作,发展了一种基于“分子穿越”原理的纸基电化学生物传感器,解决了一步反应完成疾病靶标分析的关键技术问题,并实现了核酸的快速灵敏检测,有望为便携式现场生化检测提供新的手段。该项工作已于近日(2018)在线发表于《纳米快报》(IF 12.08)。进一步,生物电催化过程在纸基传感器上应用的价值是什么呢?当然是让电化学反应更快,反应产率更高,从而使得检测结果更灵敏。目前尚没有查到相应的应用。
纹身型传感器则是另一个有前途的研究方向,这是便携式传感装置的一种极致应用方式。通过发展弹性可拉伸电子元器件材料,从而将其贴服在皮肤上,进而测量人体的呼吸频率、心率、大脑电波活跃程度、体温、血液含氧量等,为实时监测人们关心的身体状况提供数据。2013年,美国剑桥学区MC10公司发布了世界上第一款能与身体贴合很好的电子产品,它是专门为运动员定制的,被称为“检测之光”(,能够感知鸭舌帽和头部之间的压力。现在,这家公司正在开发一种弹性的、像贴纸一样的传感器,被称为”生物贴”, 据说能够探测到大脑、肌肉和心脏的相关数据。MC10公司正在与生物制药公司UCB和罗切斯特大学,共同开发一种能够帮助运动及神经系统疾病患者检测的“生物贴”,这家公司还曾与韩国研究人员合作开发出另一种传感绷带贴,能够帮助帕金森疾病患者通过检测震颤程度适量给药。在东北大学,海瑟·克拉克副教授发明了一种“纹身”传感器,能够注射到皮肤中来监测钠、葡萄糖和其他血液测试中常见的5个指标。这个“纹身”含有能发荧光的微型传感器,用设定好App的IPhone就能根据拍照测得荧光水平,进而了解血液指标。此外,这个研究团队还开发出另一种“纹身”传感器,能够监测锂的水平,可以用来治疗躁郁症。它能帮助医生针对每个病人确定合适剂量的药物。到目前为止,该团队已能监测小鼠身体中的锂含量。此外,“智能胰岛素贴”,也逐渐发展用于糖尿病患者的治疗,其中采样及给药都可以更高度地自动化。可见纹身式生物传感器的应用领域正在朝着信号测量、生化检测及治疗一体化发展。基于此,生物电催化技术有朝一日也会在纹身式传感器中一定也会有用武之地的。