26、基于微纳机器的体外生物传感技术

基于微纳机器的体外生物传感技术

1. 引言

生物传感概念涵盖大量研究工作和众多实际应用，这里聚焦于体外生物传感，其应用范围限于人类和动物活体之外。全球化进程中，工业化广泛扩张以及人员和货物的跨洋运输，给人类生活水平以及高性能、低成本且高效的生物传感技术带来诸多严峻挑战。

一方面，工业生产产生大量有害污染物，如重金属离子、毒素、农药和生物危害物质等。这些物质毒性高，在人体积累后会严重威胁地球生态系统和人类健康。另一方面，人员和货物的快速流通不可避免地增加了新疾病出现和传播的风险，例如2019年爆发的COVID - 19，在短时间内席卷全球，造成数十万人感染、数千人死亡以及数万亿美元的经济损失，威胁着全球人类健康和经济发展。

快速检测病毒和确定感染情况迅速成为生物传感领域的热门话题。传统的体外生物传感方法通常包括质谱（MS）、核磁共振（NMR）、聚合酶链反应（PCR）和高效液相色谱（HPLC）等，用于直接评估有毒物质或间接探测这些有毒物质的存在及其变化。这些方法功能强大、重现性高且检测限低，但需要繁琐的样品制备和纯化过程、精密昂贵的仪器、昂贵的探针以及专业人员操作。

过去几十年，许多研究人员致力于开发各种设备或系统以及低成本的电化学和光学探针，以解决上述问题。其中，基于微纳机器的方法在体外生物传感领域产生了重大影响，因为它不仅具有出色的选择性和灵敏度，还能提高检测分辨率并实现检测设备的小型化。

受自然微纳机器（如精子或驱动蛋白）的启发，随着微纳制造和微电子技术的蓬勃发展，人工微纳机器作为一种微纳尺度的机器人或设备应运而生。这些人工微纳机器能够通过将各种能量转化为机械运动，或直接利用活微生物在不同流体中“游动”。与被动的同类设备相比，由于其超小尺