智能手机在生化传感分析中的应用进展

王甜甜，王润月，张志锋，青琳森*

(1.西南民族大学 药学院,四川 成都 610041；2.中国科学院 成都生物研究所,四川 成都 610041)

智能手机作为现代化电子技术迅猛发展及逐年普及最典型的智能代表，结合互联网技术的全覆盖，给人们的生活及工作带来了极大的改变[1]。随着技术的进步，手机已经不再是一个简单的通信工具，而是具有综合功能的便携式电子设备。智能手机具有多种传感器，如：光线传感器、紫外线传感器、全球定位系统(Global positioning system，GPS)等，这在丰富手机功能的同时，也使得手机生化检测有望成为一种用于精确医学的快速、便携式生化检测方法[2]，如基于智能手机的显示、数据传输、存储和分析功能，开发以智能手机为载体的疾病诊断即时检验(Point-of-care testing，POCT)分析仪[3- 4]。

有研究将生化传感器与智能手机结合，使得手机可在实验室外进行便携式医疗诊断[5]。智能手机在传感器和生物电子系统中的应用可以取代输入按钮、数据分析仪、屏幕显示甚至探测器这些原本在读出设备中的设置，有效简化电子设计，最小化体积大小，降低系统的总体成本，可在实验室外进行便携和现场测试。因此，基于智能手机的生化传感器可以在环境监测、医疗诊断和食品分析方面发挥关键作用[6-8]。特别是近年来智能手机的快速发展、大规模生产和普及，保证了智能手机可便捷且低成本的获得，为基于智能手机的传感器系统提供了大量的潜在用户。此外，智能手机为人们提供了易于操作的平台，将传统的大体积生化传感分析系统小型化，更激发了智能手机在生化传感分析方面的热潮。

本文综述了便携式智能手机在生化检测方面的最新研究进展。智能手机在生化传感分析中具有“两技术，一手段”的特点。从检测原理角度看，光学检测和电化学检测作为常见的便携式设备检测技术，应用十分广泛；此外智能手机还作为一种无线通信手段参与到众多的生化检测中[9]。本文着重介绍了最为常用的光学检测技术，包括显微成像、比色法检测、环境光传感器、化学发光、表面等离子体共振5个方面。此外，总结整理了智能手机集成传感器技术的性能和优点及其在生化检测中的应用。

1 生化传感分析中智能手机的“两技术”

1.1 基于智能手机的光学检测技术

利用智能手机上配备的高分辨率相机可将生物传感器与智能手机结合用于光学检测。第一个尝试是基于智能手机的显微镜技术，其显微成像可用于病情诊断(如：伤口图像分析[8]和糖尿病视网膜病变[2])和生物成分检测分析(如：血细胞成像[5,10]和微生物[4]检测)等。随着成像技术的进步，基于智能手机的显微镜技术目前已实现了纳米级的分辨率，可用于检测纳米颗粒[11]、病毒[12]和DNA[13]。在智能手机显微镜成像和光强测量的基础上，还发展了荧光[14-15]、比色[16-18]、化学发光[19-20]、环境光传感[21-23]及表面离子共振检测技术[24-25]。特别是利用智能手机进行的比色检测，因在医疗诊断中的应用而受到广泛关注。作为台式显微镜的替代品，基于智能手机的显微镜为样品的显微检查提供了一个经济有效且口袋友好的平台，特别适合在资源有限的环境下使用。

1.1.1 显微镜成像以往糖尿病视网膜病变(Diabetic retinopathy，DR)只能由眼科医生和受过训练的阅片分级师通过常规桌面眼底照相机进行临床检查。但随着手机眼底检查和人工智能(Artificial intelligence，AI)算法的研究发展，已可通过智能手机对眼睛后部成像并记录视网膜的变化，利用AI来进行视网膜图像阅片分级，检测DR，尤其是对有视力威胁的糖尿病视网膜病变的人[26-27]。Haan等[10]展示了一种基于智能手机的显微镜和机器学习算法，构建了一个经济有效、便携和快速的镰状细胞筛查框架，即使在资源有限的情况下，也能自动筛选血液图片中的镰状细胞，完成镰状细胞贫血病的早期诊断。Yang等[28]设计了一种配备USB视频类显微镜的智能手机，还开发了一个基于人工神经网络的Android应用检测程序(Kankanet)，主要用于检测3种常见的通过土壤传播的蠕虫的卵：蚓蛔虫、毛蛔虫和钩虫。Cai等[4]利用智能手机显微镜对一个海马切片进行Nissl染色扫描，并使用图像镶嵌算法对多个显微图像进行拼接。结果表明智能手机显微镜也有成为病理切片扫描系统的潜力。智能手机作为低成本诊断手段可以极大地改善发展中地区的医疗状况。

此外,可通过在智能手机显微镜上安装荧光过滤模块进行荧光成像。荧光显微镜(Fluorescence microscope)以紫外线为光源照射被检物体使之发出荧光，并在显微镜下观察物体的形状及所在位置。Dai团队[29]研制了一种彩色液滴透镜器件，并实现了基于智能手机的便携式荧光显微成像应用。Minagawa等[12]开发了一个简单的基于智能手机的移动成像平台(Mobile imaging platform,MobIP)用于数字生物检测，并在MobIP上观察到来自单个病毒颗粒的明显荧光点。MobIP成像的信噪比比传统显微镜成像的信噪比低，但其数字流感病毒计数的敏感性比商业快速流感病毒检测试剂盒高100倍。Snow等[15]介绍了一种基于智能手机荧光显微镜的现场便携式、定量检测蜜蜂微孢子虫的平台，使用不同寄生虫浓度的样品测试了平台的性能，测定结果与手工显微镜计数和聚合酶链式反应(Polymerase chain reaction，PCR)定量方法相当，每只蜜蜂的检出限为0.5×106个孢子。该法易识别出受感染的蜂群，并能确定其感染程度。因此可能适用于在田间诊断微孢子虫的感染情况。荧光图像可进行实时观察，结合无线网络技术的移动显微镜有望成为医学大数据终端的传感节点，为在线生物医学诊断提供重要的光学平台。

1.1.2 比色生物传感器比色法通过比较或测定有色物质颜色深度来确定待测组分含量，是快速检测技术中最为常用的检测方法。随着智能手机图片采集功能的不断强大，可借助手机程序软件完成对检测区域图片色度值的分析，确定待测样品浓度与色度值的某种线性或者非线性关系，从而实现样品的定量检测。

笔者团队[30]开发了一种基于智能手机RGB比色的尿糖定量测定方法，通过葡萄糖氧化酶催化氧化反应，优化了辣根过氧化物酶-过氧化氢-3,3′,5,5′-四甲基联苯胺(HRP-H2O2-TMB)体系，使其具有可靠的渐进褪色过程。该法使用色度值RGB来构建葡萄糖浓度的校准曲线，且颜色量化均通过智能手机APP来完成，不需要任何额外的仪器，促进了智能手机个性化生物传感器应用的发展。在以往免疫分析法的实验中，颜色变化的评估通常通过肉眼来完成，可能会因主观因素和周围条件而产生不确定性。智能手机以优异的光谱功能解决了这一问题。基于智能手机比色的量化技术，不仅可以对人体的生理指标，如尿液中葡萄糖[30]、尿素[31]、pH值[18]等进行定量检测，还可以将智能手机、图像分析服务器和临床试验中的病例报表连接在一起，实现临床试验中皮肤损伤的自动跟踪，通过伤口图片分析，利用红、黄、黑等颜色评估模型对患者的愈合情况进行判断[8]；在环境水中汞离子[32]、铁离子[33]及有毒气体(如：氟化氢)[34]的检测方面同样具有巨大的潜力。图1为基于智能手机RGB尿糖定量比色示意图[30]。

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

1.1.3 智能手机环境光传感器环境光传感器(Ambient light sensor ，ALS)可以感知周围光线情况，自动调节屏幕亮度。不同于智能手机相机的比色检测读出方法，ALS不需要相机和液体检测之间的特定距离来调整相机的焦距，附件可直接连接到ALS进行液体透射光强度测量，比分光光度法更准确。笔者团队[21]基于智能手机ALS建立了一种无标记的尿糖比色法。在HRP-H2O2-TMB体系中，尿液中的葡萄糖氧化产生的过氧化氢会使氧化态的TMB(ox TMB)减少，溶液颜色由蓝色变为浅蓝色。从而可基于颜色变化，使用智能手机环境光传感器测量透射光的强度来计算尿糖的含量。Chen团队[22]开发了一种集成了环境光传感器和3D打印附件的智能手机比色阅读器来测量液体的透射光强度的新方法，并对玉米烯酮进行了定量分析。而Park等[23]通过测试不同类型的环境光条件，包括室外阳光和室内荧光，发现环境光生物传感器可在没有任何光源限制的情况下实现测定，在各种光照条件下具有较高的灵敏度和准确性。智能手机的ALS作为潜在的内置传感器可检测的范围越来越广泛，不仅可用于临床诊断[21]、农作物检测[22]，还可用于环境汞污染的检测[35]。

1.1.4 化学发光传感器化学发光(Chemiluminescence，CL)是在没有光源和光谱系统的情况下通过化学反应产生的光辐射，在信噪比、灵敏度和线性范围方面有显著优势[19-20]。CL生物检测已成为临床诊断的主要技术之一。Ghosh等[36]开发了一种新型的微通道毛细管流动测定平台，该平台可用冻干化学发光试剂进行基于化学发光的酶联免疫吸附测定，并可使用定制的光学检测器通过USB-OTG(On-The-Go)端口轻松地与智能手机通信，实现对疾病的POCT检测。Li等[37]首次将双层纸基微流控芯片和智能手机结合，开发了用于多重免疫分析的时间-空间-彩色多分辨CL成像检测系统。双层纸基微流控衬垫顶层有注射区，在毛细管力的驱动下，可通过亲水微通道自动、有序地输送反应试剂至3个检测区域，自动触发CL和共振能量转移反应，并通过智能手机摄像头记录时间-空间-彩色多分辨CL成像信号。该法可用于多重测定3种模型癌症生物标志物，包括癌胚抗原、甲胎蛋白和前列腺特异抗原，具有灵敏度高、选择性好、操作简单、成本低和现场化的特点，避免了复杂的标记程序和邻近检测区域的干扰。

1.1.5 智能手机的表面等离子体共振生化传感器表面等离子体共振(Surface plasmon resonance，SPR)传感器是一种利用测量表面等离子波的共振角计算样品折射率的光学传感器，具有灵敏度高、实时、无标签等优点，在蛋白质检测中得到了广泛应用[38-39]。

基于智能手机的SPR传感器检测系统已可用来检测水中的脂多糖(内毒素)[24]、生理溶液的相对介电常数[40]，以及定量检测多种肿瘤标志物[39]。Zhang等[24]将手机内置闪光灯和互补金属氧化物半导体(Complementary metal oxide semiconductor，CMOS)图像传感器作为光纤检测装置，对Au光栅传感器芯片进行合成肽受体修饰，利用光栅耦合表面等离子体共振(Grating-coupled SPR，GC-SPR)法检测了水中的脂多糖(内毒素)，检测限为32.5 ng/mL。Lertvachirapaiboon等[41]基于银纳米柱对光子能量有强吸收，易发生局域表面离子共振光学现象的原理，在过氧化氢浓度10～300 μmol/L范围内，通过用智能手机摄像头采集微通道中纳米银胶体溶液的图像，观察到其绿色色值水平变化与过氧化氢浓度之间的良好线性关系，并通过智能手机摄像头采集微通道中的纳米银胶体溶液，定量测定了过氧化氢浓度。Dutta团队[25]将重量轻、简单的实验室光学元件与手机摄像模块集成在一起，设计了一个像素分辨率为0.336 nm/pixel的可见分光光度计。该智能手机分光光度计可以记录由于金纳米粒子(AuNPs)和不同浓度分析物(蛋白质和酶)结合而产生尺寸改变导致的局域表面等离子共振(LSPR)峰值吸收波长的变化，进而检测AuNPs的大小及与其偶联的生物分子的浓度。与实验室级标准紫外-可见分光光度计对BSA蛋白和胰蛋白酶的定量检测进行比较，发现设计的传感器具有很高的可靠性。随着各种技术的发展，简单的光学设计和低成本光学元件的参与，将使基于智能手机的SPR生化传感技术具有更加广阔的应用前景。

1.2 基于智能手机的电化学检测技术

电化学分析具有高灵敏度、高特异性和便捷性，已广泛应用于环境监测、安全评价和健康追踪中分析物(如蛋白质、核酸和代谢物)的定量检测。然而，传统的电化学生物传感器通常价格昂贵，体积庞大，而且仅限于训练有素的人员使用。而智能手机提供了一个有前途的平台，可实现对电化学测量的控制、记录和实时显示。

Li等[7]将具有高效转化能力的二氧化硅纳米孔膜修饰丝网印刷电极应用于基于智能手机的硝基芳香族爆炸物电化学发光检测系统，该系统以电化学阻抗谱为基础，对硝基芳香类爆炸物的检测限为2.3×10-9mg/mL。Guo[42]将一次性电解尿酸试纸经特定接口连接到与智能手机集成的电化学模块上，以计时安培分析法为基础，在智能手机边缘的槽取3 μL全血即可测定尿酸。Ji等[43]开发了一种基于智能手机的集成伏安系统，该系统以伏安法为基础，通过石墨烯和金纳米颗粒修饰的印刷电极对电流响应进行分析，可同时检测抗坏血酸、多巴胺和尿酸。为使电化学检测实现手持实时监测和快速检测，将智能手机和电化学传感器结合，已成为一个热门研究方向。

2 生化传感分析中智能手机的无线通信手段

智能手机作为一种无线通信手段参与到众多的生化检测中，如智能手机的WIFI、蓝牙和近场通信(Near field communication，NFC)都具有无线信息传输功能。已有研究将一种集成微流体电化学探测器[44]通过标准WIFI网络进行无线编程，并将所有的电化学数据都上传到一个开源的服务器上，实现了对葡萄糖的检测。Wang等[45]首先通过在膜(纸)电极上捕获从全血中分离的白细胞，使便携式恒电位器上产生伏安信号，然后将获取的电化学感应电流通过蓝牙传输到智能手机上，最后通过智能手机的应用程序对收集的数据进行分析，计算出相应的白血球浓度值。Steinberg等[46]研制出一种无线安培电位器，既可作为电池供电，又高度便携(信用卡大小)，适用于移动和可穿戴电位器电化学传感测量，并能够将数据无线传输到移动计算设备。这一成果解决了低成本和可穿戴式的化学传感器与无处不在的移动通讯产品之间连接“缺失的一环”。Ma团队[6]尝试利用智能手机记录NFC信号进行肉类变质检测。将配有传感器的标签放置在生肉块旁边，然后在86 ℉(30 ℃)温度下放置24 h，当传感器检测到足够多(即肉类变质)的生物胺时将自动开启NFC标签，无线传输警报至位于肉类约4英寸(10 cm)内的智能手机上的应用程序上。

NFC是一种新兴的电子标签与智能手机通信的短距高频无线技术，具有无线、无源、体积小，适合小文件，超低功耗等特点。NFC可在不同的环境中安装传感器并进行测量，适用于环境监测、健康诊断以及物联网等领域。然而，NFC传感器也有明显的缺点，如大多数智能手机NFC模块只能用于定性测试，不能进行定量检测。智能手机与检测设备之间的无线数据通信方式除NFC外还有WIFI、蓝牙等。在通信距离上，蓝牙比NFC长，具有非常高的数据传输速率，适合实时数据传输；而WIFI 是一种允许电子设备连接到一个无线局域网(WLAN)的技术。

3 结论与展望

本文主要综述了基于智能手机的光学检测技术(包括显微镜成像、比色生物传感器、环境光传感器、化学发光传感器、SPR传感器)和电化学检测技术以及智能手机在生化传感分析中强大的通信手段。基于高像素配置、更专业的微距镜头及大屏幕显示器智能手机的生化检测，可以获得更清晰的生物成分(如细胞、微生物等)成像图片。智能手机强大的通信手段如：NFC、WIFI、蓝牙，在数据分析和传输方面也发挥着强大的作用。

随着更多的功能模块的研究与发展，在不久的将来，许多传感器(如磁、引力、热传感器等)和生物电子学均可集成在智能手机上，采用智能手机进行不同的生化检测将有望实现。然而，基于智能手机的传感器系统目前多进行实验室研究，很少用于现场分析。因此，需要在智能手机的传感器制造、数据通信和处理算法方面进行更多的工作，以提高性能，保持可携带性，并降低成本。

与不同类型的检测技术相结合的智能手机，可对多种不同类型的物质进行现场、快速的定性或定量检测。可以预见，基于智能手机的便携式生化检测技术将会迎来前所未有的发展机遇，在食品、环境和医疗领域具有更广阔的应用前景。