第39卷第12期2020年12月
分析测试学报
FENXI CESHI XUEBAO(Journal of Instrumental Analysis)
Vol.39 No.12
1561 -1566
d o i: 10.3969/j.iss n.1004 -4957. 2020.12. 020
王甜甜12，王润月2，张志锋“，青琳森2**
(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)
摘要：该文主要综述了基于智能手机生化检测的光学和电化学检测技术，及其在生化传感分析中强大的通
信手段。重点介绍了智能手机集成的生化传感器技术的性能、优点，及其在生化检测中的应用，讨论了目前 智能手机在生化传感分析方面存在的局限性和面临的挑战，并展望了未来的发展方向和潜在的机遇。
关键词：智能手机；光学传感器；电化学传感器；无线通信；生化分析
中图分类号：O657. 3;O657. 1文献标识码：A文章编号：1004 -4957(2020)12 -1561 -06
A p p l i c a t i o n D e v e l o p m e n t o f S m a r t p h o n e s i n
B i o c h e m i c a l S e n s o r A n a l y s i s
W A N G T ia n-tia n1’2，W A N G R u n-y u e2，Z H A N G Z h i-fe n g1*，Q IN G L in-s e n2*
(1.School of Pharmacy，Southwest Minzu University，Chengdu610041，China；2. Chengdu Institute of Biology，
Chinese Academy of Sciences，Chengdu610041，China)
A b s t r a c t:In th is p a p e r，o p tic a l and e lectroch em ica l detection techniques based on b io c
h e m ic
tectio n o f sm artphones and th e ir pow^erful com m u nica tion means in b io ch e m ica l sensor analysis are re
vie w e d.S p e c ific a lly，the p e rfo rm a n ce，advantages and ap p lica tio n s o f b io ch e m ic a l sensor technology
integrated w ith sm artphones in b io ch e m ica l detection are m a in ly in tro d u c e d.M e a n w h ile lim ita tio n s and challenges o f sm artphones in b io ch e m ica l sensor analysis are discussed.F in a lly，the
fu tu re developm ent d ire c tio n and p o te n tia l op p o rtu n itie s are also looked forw ard to.
K e y w o rd s：sm artphone；o p tic a l sensors；electroch em ica l sensor；w ireless com m u nica tion；b io
ch e m ica l analysis
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、
熔断器底座
全球定位系统（G lobal po sitio n in g system，G PS)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(P o in t-o f-c a r t e t in g，P O C T)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[4。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[]。本文着重
收稿日期：2020 -06 -25；修回日期：2020 -08 -17
基金项目：国家重点研发计划项目（2019Y FC m2503)；中国科学院“西部青年学者”项目（201SXBZG_XBQNXZ_A_005)；研究生创新项目（CX2019SZ177)
*通讯作者：张志锋，博士，研究员，研究方向：药用植物资源及品质，E-mail:zhangzhf99@gmail
青琳森，博士，副研究员，研究方向：生物有机分析化学，E-mail:qingls@cib.ac
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介绍了最为常用的光学检测技术，包括显微成像、比法检测、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，°]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d n a[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[16-18]、化学发光[19-2]、环境光 传感[21-23]及表面离子共振检测技术[2-25]。特别是利用智能手机进行的比检测，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。
主机漏洞扫描
1.1. 1显微镜成像以往糖尿病视网膜病变（D ia b e tic re tin o p a th y，D R)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（A r tific ia l in te lli
g e n c e，A I)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 A I来进行 视网膜图像阅片分级，检测D R，尤其是对有视力威胁的糖尿病视网膜病变的人[26_27]。H a a n8[w]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。Y a n g等[2]设计了一种配备U S B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 A n d r o id应用检测程序(K a n k a n e t)，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。C m等[4]利用智能手机显微镜对一个海马切片进行N i l染扫描，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 m i-
c n o c p e)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。D a 团队[9]研制了一种彩液滴透镜器件，并实现了基于智能手机的便携式荧光显微成像应用。M m agawa 等[12]开发了一个简单的基于智能手机的移动成像平台（M o b ile im aging p la tfo rm，M o b lP)用于数字生物检 测，并在M o b lP上观察到来自单个病毒颗粒的明显荧光点。M o b lP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1〇〇倍。S n w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（Polym erase cha in re a c tio n，P C R)定量方法相当，每只蜜蜂的检出限为0.5 x lO6个孢子。该法易识别出受感染的蜂，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比生物传感器比法通过比较或测定有物质颜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 检测区域图片度值的分析，确定待测样品浓度与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。
手压式旋转拖把
笔者团队[30]开发了一种基于智能手机R G B比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（H R P-H2〇2-T M B)体系，使其具有可靠的渐进褪过程。该法使用度值R G B来构建葡萄糖浓度的校准曲线，且颜量化均通 过智能手机A P P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
第12期王甜甜等：智能手机在生化传感分析中的应用进展1563
生 。机以优异的光谱功能解决了这一问题。基于 机比的量化技术，不仅可以对人体的生理，如 中M、尿素™、？旧直[18]等 量检测，还可 机、图分析服务器和试验中的报表连接在一起，实现 试验中皮肤损伤的自动 ，伤口
图片分析，利、黄、黑等颜评估模型对患者的愈合情况 []；在环境水中汞离子[2]、铁离子[33]：毒气体(如：氟化氢）[34]的检测方 样 巨大的 。图1为基于智能手机R G B尿糖量比 图[3〇]。
1. 1.3智能手机环境光传感器环境光传感器（A m b ie n t lig h t s e n s o r，A L S)可以感知周围光线情况，自动调节屏幕亮度。于 机相机的比检测 方法，A L S不需要相机和液体检测之间的特距离来调整相机的焦距，附件可直接连接到A L S：体 光 测量，比分光光度法 。笔者团队[21]基于智能手机A L S建立了一种无标记的尿糖比法。在H R P- H2〇2 - T M B体系中，尿液 中的 氧化产生的过氧化 氧化态的T M B(o x T M B)减少，溶 由蓝 浅蓝。
可基于颜变化，机环境光传感器测量 光的 来 的含量。C h e n团队[22]开发了一种集成了环境光传感器和3D打印附件的 机比 器来测量液体的 光 的新方法，并对玉米烯酮 量分析。而P a r k8[23]：测试 类型的环境光 ，包括室外阳光和室荧光，发现环境光生物传感器可 何光源限制的情况下实现测定，种光照条
的和 。机的A L S作 的内置传感器可检测的 越来越广泛，不仅可用于
[1]、农作物检测[22]，还可用于环境汞污染的检测[5]。
1.1.4化学发光 器化学发光（〇!6111丨1腿—8。6^：^，仏）是 光源和光谱系统的情况.过化学反应产生的光，在信、和 方 著优势[19-2°]。C L生物检测已成 ‘的主要技术之一。G h〇sh8[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 基于化学发光的酶联免疫吸附测定，并可 的光学检测器 USB- O T G(On-
T h e-G o)端口轻松地与 机通信，实现对 的P O C T检测。L i8[37]p次将双层纸基微流控
和 机结合，开发 于多重免疫分析的时间-空间-彩多分辨C L成像检测系统。双层纸基微流控衬 层有注射区，在毛细管力的驱动下，可 水微通道自动、地输送反应试剂至3个检测区域，自动触发C L和共振能量 反应，机 头记录时间-空间-彩多分辨
C L成像信号。该法可用于多重测定3种模型癌症生物 物，包括癌胚抗原、蛋白和前列腺特异抗原，、、操作简单、成本低和现场化的特点，的标记程序和邻近检测区域的 。
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 plasm on resonance，S P R)传感器是一种利用测量表面等离子波的共振角 样 的光学传感器，、实编织软管
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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S P R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[4]，以及定量检测多种肿瘤标志物[9]。Z h a n g等[24]将手机内置闪光灯和互补金属氧化物半 导体(C o m p le m e n ta ry m etal oxide s e m ico n d u cto r，C M O S)图像传感器作为光纤检测装置，对A u光珊传感 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（G r a tin g-c o u p
le d S P R，G C-S P R)法检 测了水中的脂多糖（内毒素），检测限为32.5 ng/m L。L e rtv a c h ira p a ib o o n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1〇 ~ 300 p m〇l/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。D u tt a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/p i x e l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 (A u N P s)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（L S P R)峰值 吸收波长的变化，进而检测A u N P s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B S A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S P R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。
L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 香方@暴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 x10 _9mg/m L。G uo[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 ^L全血即可测定尿酸。^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W IF I、蓝牙和近场通信 (N e a r fie ld c o m m u n ic a tio n，N F C)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[4]通过标准W I F I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。W a n g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。S te rn b e rg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”。M a团队[6]尝试利用智能手机记录N F C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 °F(30 °C)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N F C标签，无线传输警报至位于肉类约4英寸（10 c m)的机上的应 程 上。
N F C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。N F C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，N F C传感器也有明显的缺点，如大多数智能手机N F C模块只能用于定
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I F I 是一
种允许电子设备连接到一个无线局域网（W L A N )的技术。3结论与展望
u盘制造
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、比生物传感器、环境光传感 器、化学发光传感器、S P R 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：N F C 、W IF I 、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。
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