一、基于智能手机的POCT 有以下独特的优点
操作简单，不需要专业培训； 无需长时间等待，可以及时获得测试结果； 制作成本低，有利于在资源有限地区使用。
二、POCT 所检测的对象：体液检测 由于不需要昂贵的试剂和大型医疗设备，基于体液检测的POCT 特别适合在日常生产及生活中使用。目前可用于传感分析的体液主要有血液、汗液、泪液、唾液、尿液等，对这些体液进行有效地提取与处理，就能得到所需的生理特征信息。血液中的血清和血浆，在常规临床分析中被广泛用作样本。血液中含有许多与机体的生理状态密切相关的成分，如蛋白质、核酸等，通过基于智能手机的POCT 设备进行精准的血液检测是目前一大研究热点。1.1比色传感 比色法是传感分析中一种常用的生化测定方法[22-26]，主要通过评估样品吸光度或反射率的变化来进行检测，而纳米技术为比色分析提供了许多具有优异光学性能的材料[27,28]。其中，基于金纳米粒子的球形核酸由于具有良好的稳定性且易于观察而被广泛应用于生物传感领域。受这一进展的启发，Liu等人[29]提出了一种基于智能手机的蛋白酶生物标志物比色检测方法，通过蛋白质水解反应转录与球形核酸的模块化组合，对蛋白酶生物标志物进行比色分析（图1A）。由目标蛋白酶引导的蛋白质水解会产生一个活跃的RNA 聚合酶，随后通过体外转录产生多个具有可编程序列的RNA。转录的RNA 通过碱基配对触发球形核酸的组装，进而导至SPR 相关吸收波长上出现显著红移，试纸颜色随之发生明显的变化。该检测方法实现了基质金属蛋白酶-2（MMP-2）的特异性检测，检测下限为3.3 pM。蛋白质水解反应转录和球形核酸的模块化组合具有很强的信号放大能力，实现了高灵敏度的比色检测。此外，这种比色法具有不错的普适性，通过调整目标反应RNA 聚合酶模块，就可以检测凝血酶和丙型肝炎病毒等其他蛋白酶生物标记物。
1.2 荧光传感 荧光分析具有灵敏度高、试剂消耗少、特异性强的特点，在生物医学研究中有着广泛的应用[30-32]。Zhang 等人[33]开发了一个基于手机的声流体平台，可用于检测人体血液中的血红蛋白（图1B）。该平台使用声辐射力来富集纳米级分析物和红绿色荧光纳米粒子，将其作为POCT 视觉检测的荧光探针，从而使来自探针的颜色信号得到增强，显著提高了比色传感灵敏度。这种将声控纳米粒子平台与基于手机的荧光分析相结合的方法，为POCT 引入了一条新的发展途径。
1.3 生物发光传感 基于生物发光共振能量转移（BRET）的传感蛋白被认为是用于POCT 的理想试剂，因为它们的比率信号容易检测。Kosuke Tomimuro 等人[34]利用BRET 传感蛋白开发了一种微流控线基分析装置（μTADs）作为抗体检测的新平台。先将发光抗体传感蛋白及发光基质以干燥的形式预先沉积到两根缠结的棉线上（图1C），在响应特定的抗体后，通过手机摄像头进行快速的生物发光检测（图1D）。该装置所采用的微流控技术是一项涉及化学、流体物理、微电子、生物学等多种学科的新兴技术。由于流体在微观尺度与宏观尺度上的表现具有差异，使用微米级管道操控流体，能够实现一系列常规方法难以完成的加工和处理。μTADs 制造成本低，可用来进行小样品量的血液检测，而且棉线天生的织物性质使其在设计上更加灵活。
汗液是一种重要的代谢物，含有尿酸、乳酸和各种电解质，汗液检测由于其无创性得到了人们的青睐，但如何方便地收集样本却一直困扰着研究人员。柔性电子的出现让人们看到了希望，利用富有延展性的基板制作电子器件，使其更加灵活，在一定程度上满足设备的形变需求，推动了可穿戴传感器的发展[35-39]。在柔性电子器件的基础上，研究人员开发了许多用于汗液检测的便携式传感器[40,41]，为医疗保健的个性化和智能化做出了突出贡献。电化学传感器是利用待测物的电化学性质将其化学量转变成电信号进行传感检测的一种传感器。基于电化学传感的POCT 设备具有准确、快速、成本低等优点，广泛应用于临床诊断、工业分析和环境评估等领域[42]。Jo Hee Yoon 等人[43]介绍了一种由坚固的生物基超分子聚合物制成的可穿戴汗液传感器（图2A）。通过在碳纤维线电极表面涂覆柠檬酸基超分子聚合物，制备了线形电位测量离子传感器。这些柔性传感器能够同时检测K+和Na+，并且可以编织成纺织品，从而制造一个可穿戴的多目标物离子传感器。此外，该传感器能够通过氢键自修复，在室温下断裂30 s 后显示出高于97％的自愈合效率。配备的无线传输电路可以将数据发送至智能手机用户界面，即使在自愈合期间也能实时地监测人体汗液中的电解质离子。
2.2 比色传感 检测多样化是传感器的一大发展方向，由于汗液丰富的成分，如何同时分析多个样本一直是汗液检测领域的热点话题。Xiao 等人[44]报道了一种基于微流控芯片的可穿戴比色传感设备，可用于检测汗液中的葡萄糖。该装置有五条从中心发散出来的微流体通道（图2B），能够将汗液从表皮引到检测微室，每个微室都有一个止回阀（图2C），避免化学试剂回流。微室中含有预先嵌入的传感试剂，会与汗液中的葡萄糖进行反应产生颜色变化。该传感器可以同时执行五个并行检测，得到相当于普通的传感器五倍的检测效率。而Bandodkar 等人[45]设计了一种可同时进行比色分析和电化学分析的可穿戴式汗液传感设备。该设备将计时微流控平台与嵌入式比色分析相结合（图2D），并由生物燃料电池供能，对出汗率、酸碱度、乳酸盐、葡萄糖和氯化物同时进行监测。与检测单一参数的传感器相比，该设备可以提供一份更全面的人体健康信息。Sekine 等人[46]将荧光传感模式集成到一个柔性微流体装置上，提出了一种用于汗液化学原位定量分析的传感设备（图2E,F）。微流体装置由微通道网络阵列和微储存器构成，其中，微储存器中预先填充有荧光探针，它们可以选择性地与汗液中的目标分析物（氯、钠和锌）进行反应，导至荧光强度发生变化，通过配备光学模块的智能手机进行检测，最终实现定量、快速的分析。根据人体试验的结果表明，该设备可以精准测定汗水中目标生物标志物的浓度，其准确度与传统实验室技术的标准相当。
唾液是一种复杂的混合物，主要由唾液腺分泌，无色无味，偏酸性，唾液的成分包括各种酶、电解质、蛋白质、核酸等，其中蛋白质种类高达一千多种，大部分都具备检测价值。与血液采集相比，唾液采集更安全、更方便，而且由于无创，没有传播疾病的风险。同时，与汗液采集相比，唾液采集具有实时采样的优点。因此，近年来科研人员提出了许多用于唾液检测的POCT 方案[47-49]，其中不乏对于新冠疫情的防控具有重要意义的研究。3.1 电化学传感 为了方便收集唾液，Chen 等人[50]设计了一种智能牙刷，与智能手机相匹配后可用于实时监测唾液中的葡萄糖。目前市面上可获得的葡萄糖传感器几乎都使用葡萄糖氧化酶或脱氢酶进行检测。但是，酶的活性容易受到温度、酸碱性、离子浓度等外界条件的影响，从而抑制传感的灵敏度，因此，基于非酶法的葡萄糖检测一直被人们所追求。Chen 等人发现锡青铜是一种适用于唾液葡萄糖传感的非酶法材料，与其他类型的青铜相比，锡青铜具有更坚固、易铸造的优点。将采用裸铜电极作为工作电极的电化学传感器集成到智能牙刷中，用于监测唾液葡萄糖，对于实现糖尿病无创检测具有潜在的应用价值。此外，由于没有额外的试剂参与检测，电极可以在简单地机械抛光后妥善储存，以供长期使用。
3.2 荧光传感 在疫情肆虐的今天，开发一种可以检测新冠病毒的POCT 设备是十分必要的。目前大多数核酸检测需要鼻咽拭子或口咽拭子样本，这些样本必须由防护用具穿戴齐全的专业医疗人员进行收集，并且收集的过程十分痛苦，让人难以忍受。为了改善现状，Ning 等人[51]开发了一套基于唾液分析的便携式COVID-19 检测设备（图3A），从采样到获得结果仅需要15 min 的时间。该方案操作流程十分简单（图3B），首先用预先填充了3 ml 裂解缓冲液的试管收集唾液样本，然后在高于37 ℃的温度下加盖加热约5 min。在此之后，向检测芯片上每个含有10 μl 的预混RPA 和CRISPR 溶液的反应室中加入5 μl 的裂解样品。最后，该芯片在室温下经过10 min 的孵育，插入智能手机读取器，打开激光二极管，并通过智能手机相机捕获检测结果。唾液样本具有方便收集、非侵入性的优势，而且它们可以由病人直接获取，不需要特殊的材料、专业的培训或完善的基础设施，减少了医务人员的参与，消除了暴露的风险。基于这些特点开发的COVID-19 检测方案在突破当前测试瓶颈，协助疫情筛查工作方面具有深远的影响。
4、泪液 眼泪是由脂质、电解质、蛋白质、肽、葡萄糖和氨基酸组成的复杂液体，里面含有多种生物标志物，如免疫球蛋白、白蛋白、Na+、K+和Cl-。此外，泪液中的许多成分与血液中的成分相似。例如，由于泪液血糖与毛细血管血糖的相关性很高，泪液曾作为血液的替代品，广泛用于监测糖尿病患者的血糖水平。因此，基于智能手机的泪液检测由于无创、无预处理、低电位干扰和与血液等生物液体的直接相关性而引起了人们的极大关注。但是与血液、唾液等体液相比，泪液的获取存在一定的难度，设计一种可及时收集、检测、分析泪液的智能设备，对于基于泪液的POCT 有着重要的意义。近年来，可穿戴式和植入式的眼压生物传感器备受关注，通过跟踪眼内压（IOP）波动，可以将微小的IOP 压力信号转换为易于观察的电感、电阻或光学信号，进而准确地检测糖尿病、肝病和眼科疾病[52]。
4.1 比色传感 智能隐形眼镜由于其直接监测泪液生理信息的能力而获得了广泛的关注[53]，但目前的推广仍然有限，这是因为智能隐形眼镜的成功开发需要克服机械生物相容性、检测灵敏度和极具挑战性的集成等许多问题。此外，它们还要有很高的视野透明度，且佩戴舒适，以最大限度地减少刺激眼球引发炎症的可能。Rosalia 等人[54]开发了一款微流控隐形眼镜，可以对泪液中的pH、葡萄糖、蛋白质和亚硝酸盐类离子进行检测。微流体通道由一个有四个分支的中心环组成，通过激光刻蚀技术刻在隐形眼镜上，生物传感器嵌入于分支端的微腔中。为了实现精确的读取结果，结合了智能手机成像技术，并使用基于最邻近方法的MATLAB 算法进一步处理。利用人工泪液测试所得结果显示，该传感装置能够在15 s 内完成响应。同样基于隐形眼镜的形式，Rosalia 等人[55]还结合纸基微流体，开发了一种可用于临床分析的多路检测设备,检测的对象包括pH、蛋白质、葡萄糖、硝酸和抗坏血酸（图4），它们都可以通过隐形眼镜直接从眼泪中采样。隐形眼镜由聚甲基丙烯酸羟乙酯制成，并通过化学键合来密封。利用激光刻蚀技术雕刻的微流体通道能够最大限度地减少泄漏。采用基于智能手机的读出方法来收集和存储信息，使分析物的检测数据能够更直观的呈现。智能隐形眼镜展现了在医疗诊断和疾病筛查中的潜力，未来在监测眼部感染、葡萄膜炎，糖尿病，角化病和评估氧化应激等方面都有用武之地。4.2 图像检测 视觉图像检测是将被检测的目标转换成图像信号，根据像素分布、亮度和颜色等信息进行识别。Lin 等人[56]采用隐形眼镜的形式研发了一种具有溶胀和收缩功能的传感器，可以对泪液中的葡萄糖进行检测（图5）。该设备由基于苯硼酸的甲基丙烯酸羟乙酯制成，这种材料吸收葡萄糖时会发生膨胀，利用这一特性制造的隐形眼镜可以根据葡萄糖浓度的不同而改变厚度。在发光二极管设备发出光后，可以使用智能手机检测到眼镜厚度的变化，并通过软件进行分析，从而得到葡萄糖浓度的信息。这项研究成果对于无创测量葡萄糖水平和使用智能手机简单地实现葡萄糖传感有很大的帮助。
5、尿液 尿液是人类为了满足新陈代谢的需要，通过泌尿系统排出体外的液体排泄物，其成分包含尿血红蛋白、酶、电解质等。在医疗领域，尿检可以帮助医生诊断出许多疾病，是一种常用的样本。为了进一步发挥尿液分析无创性、易获取的优势，近几年出现了许多用于尿液检测的POCT 方案[57-59]。
He 等人[60]将基于胶带的传感器与尿布相结合，介绍了一种能够进行多路快速尿检的生物传感器。通过物理冲孔和织物填充工艺，将微型传感阵列排列在柔性防水胶带上，然后粘附到尿布中，形成了一个可穿戴的尿液传感系统。与传统的尿液检测相比，该设备的一大优点是可以通过尿布直接对排泄的尿液进行取样，并诱导尿布上的生物传感器发生显色反应，整个过程无需任何额外操作。采用智能手机进行比色信号采集，实现了快速检测的目标。该设备可检测葡萄糖、亚硝酸盐、蛋白质和苯丙酮酸等尿液标记物，对一些疾病的早期预警具有重要意义，是一种非常适合婴儿和尿失禁患者的POCT方案。尿液中的尿酸浓度与心脑血管疾病有着密切的联系，开发一种能快速、高效地检测尿酸的方法能在一定程度上预防疾病突发而减轻其对人体的伤害。Lu 等人[61]提出了一个适用于高尿酸患者的POCT 方法，通过酶促反应后H2O2 的荧光检测效果对尿酸浓度进行评估（图6）。该方法中的传感器为嵌入了Cd、Zn、Te、S 量子点和尿酸盐氧化酶的藻酸盐水凝胶微型球，具有提高量子点荧光稳定性，减少蛋白质干扰，提升响应速度等优点。通过智能手机摄像头及配套的应用软件，可以在10 分钟内得到尿酸浓度的测试结果。利用人工尿样中进行的实验显示，准确率高达100%。此外，该方法具有通用性，在藻酸盐水凝胶微型球中嵌入不同的酶即可用于检测其他疾病，展现出良好的应用前景。Isabel 等人[62]首次报道了一种检测尿液中大肠杆菌的荧光免疫分析方法，该方法使用的微流体具有十个孔道，表面积比较大，能够使大量样品通过涂有捕获抗体的微囊，提高了检测限度。在智能手机相机的辅助下，检测和量化人工合成尿液中的大肠杆菌只需要25 分钟。这种方便且低廉的分析方法有助于防治大肠杆菌引起的感染病，特别是在环境水质较差、卫生防疫困难重重的地区适合大力推广。
来源：基于智能手机的即时检测应用进展
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