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压电生物传感器及其在医疗健康中的应用

钟兴平 ,  陈艳霞 ,  陈晨 ,  秦雷 ,  张学记

化学进展 ›› 2024, Vol. 36 ›› Issue (7) :975-986

PDF (9149KB)
化学进展 ›› 2024, Vol. 36 ›› Issue (7) :975-986 DOI: 10.7536/PC231203
综述
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压电生物传感器及其在医疗健康中的应用

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Piezoelectric Biosensor and Its Application in Healthcare

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摘要

With the rapid development of social economy and the continuous improvement of people's living standards, medical health has an important strategic position. As an important means of analysis and detection, biosensing technology plays a key role in the field of health care. Piezoelectric biosensor is a new type of biosensor using piezoelectric materials for Bioanalysis, which has the excellent characteristics of good stability, fast detection speed, high accuracy and simple operation, and has important application value in the fields of biomedicine, health monitoring and disease prevention and control. In this paper, the research progress of piezoelectric biosensors in recent years at home and abroad is reviewed. The working principle of piezoelectric biosensors based on the piezoelectric effect of quartz crystal microbalance and the commonly used piezoelectric materials are introduced, including inorganic piezoelectric materials, organic piezoelectric materials, piezoelectric composite materials and biological piezoelectric materials. In addition, the application of piezoelectric biosensors in human health monitoring and disease prevention and control is also introduced, such as the monitoring of physiological signs such as heart rate and pulse, and the detection of biomarkers and epidemic viruses such as COVID-19. Finally, the current problems of piezoelectric biosensors are summarized, and the future development of piezoelectric biosensors is prospected.

Abstract

With the rapid development of social economy and the continuous improvement of people's living standards,medical and health care have taken on an important strategic position.as an important analytical detection method,biosensing technology plays a key role in the field of medical health.piezoelectric biosensor,as a new kind of biosensor,utilizes piezoelectric materials for biological analysis.piezoelectric biosensor has the advantages of good stability,fast detection speed,high accuracy and simple operation,and has important application value in biomedicine,health monitoring and disease prevention and control.Herein,we review the research progress of piezoelectric biosensor home and abroad in recent years,and introduce the principle of piezoelectric biosensors based on the piezoelectric effect of quartz crystal microbalance and the commonly used piezoelectric materials,including inorganic piezoelectric materials,organic piezoelectric materials,piezoelectric composite materials and biological piezoelectric materials.in addition,the applications of piezoelectric biosensors in human health monitoring and disease prevention and control are also introduced,such as the monitoring of physiological signs,such as heart rate,blood pressure and pulse,the detection of biomarkers and epidemic viruses such as SARS-CoV-2(COVID-19).Finally,the current problems faced by piezoelectric biosensors are summarized,and the future development of piezoelectric biosensors is prospected。

Contents

1 Introduction

2 Working principle

3 Piezoelectric materials

3.1 Inorganic piezoelectric materials

3.2 Organic piezoelectric materials

3.3 Piezoelectric composite materials

3.4 Bio-piezoelectric materials

4 Applications in healthcare

4.1 Monitoring of physiological indicators

4.2 Biomarkers detection

4.3 Epidemic disease prevention and control

5 Conclusion and outlook

Graphical abstract

关键词

生物传感 / 压电材料 / 生物标志物 / 疾病防控 / 压电效应

Key words

biosensor / piezoelectric materials / biomarkers / disease prevention and control / piezoelectric effect

引用本文

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钟兴平, 陈艳霞, 陈晨, 秦雷, 张学记. 压电生物传感器及其在医疗健康中的应用[J]. 化学进展, 2024, 36(7): 975-986 DOI:10.7536/PC231203
Xingping Zhong, Yanxia Chen, Chen Chen, Lei Qin, Xueji Zhang. Piezoelectric Biosensor and Its Application in Healthcare[J]. Progress in Chemistry, 2024, 36(7): 975-986 DOI:10.7536/PC231203

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1 引言

生物传感器是将生物活性材料与物理化学转换器相结合进行分析检测的仪器，历经数代发展，生 物传感器的研究取得飞速进展[1⇓⇓⇓⇓~6]。随着物理、化学、光学、热学等多学科的加入，不同原理的生物传感器陆续地被开发利用。作为生物传感器的分支之一，压电生物传感器也随之诞生，其具有稳定性好、检测速度快、灵敏度高等优势，在环境[7]、医学[8,9]、食品[10]等众多领域具有潜在应用价值。

近年来，压电生物传感器在医疗健康领域的研究逐渐增加。尤其随着新冠肺炎疫情的出现，生物传感器被寄予了更高的要求，不但要快速准确而且要便于操作[11]，压电生物传感器的进步为满足检测需求提供了新的机遇。此外，随着新型压电材料不断引入以及对材料性能的深入研究，极大促进了压电生物传感器在医疗健康领域的快速发展[12⇓~14]。本文介绍了压电生物传感器的主要工作原理及压电材料，总结了压电生物传感器在人体健康监测和疾病防控方面的应用，最后对压电生物传感器未来的发展做出展望。希望通过本综述引起人们对压电生物传感器的关注，促进其在医疗健康领域的发展，为新型压电生物传感器的研究提供思路。

2 工作原理

压电生物传感器由压电材料和生物识别系统组成。基于压电石英晶体压电效应进行生物传感检测的应用最为广泛。通常是指由于敏感元件表面质量发生变化导致它的振荡频率发生相应的变 化[15,16]。最早是在1959年由Sauerbrey[17]提出关于压电石英晶体质量与频率之间关系的方程：

$ \Delta F=-K F^{2} \Delta M / A$

其中∆F是晶体表面质量变化引起的振荡频率变化（单位Hz）；K是常数；F是指压电材料自身的基本振荡频率（单位MHz）；∆M是晶体表面质量的变化；A是指敏感材料表面被吸附物质所覆盖的面积。

石英晶体微天平（quartz crystal microbalance，QCM）生物传感器是基于石英晶体的压电效应开发的生物检测技术。其工作原理是将生物活性分子（如将生物受体、抗体、DNA、酶或者细胞等）修饰固定在石英晶体表面（图1a），待测物通过与识别元件结合使晶体表面质量发生变化，从而引起振荡频率变化（由高频转向低频）[18,19]，以此实现对待测物的灵敏检测。Abdul等[20]将金纳米颗粒与DNA偶联使得QCM表面的质量显著增加，提升检测的灵敏度（图1b）。

3 压电材料

压电材料的开发与利用极大促进了压电生物传感技术的发展[21,22]。压电材料包括无机压电材料如石英晶体、锆钛酸铅压电陶瓷（piezoelectric ceramic transducer，PZT）[23⇓~25]、氧化锌[26]等，有机压电材料，主要是聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride，PVDF）[27]，压电复合材料[28,29]以及生物压电材料如DNA膜[30,31]、DNA链[32]和肽类[33]等。表1总结了压电材料的种类及应用。

3.1 无机压电材料

3.1.1 石英晶体

1880年居里兄弟在石英晶体上发现了压电效应，为压电传感器的研究奠定了基础。晶体受外界机械压力的作用，在其表面产生电荷的现象，称为压电效应[34]。石英晶体分为天然晶体和人工晶体，是一种机械强度高、温度稳定性好的压电材料，即使达到居里点温度（575 ℃）也能保持其压电特性[35]。

Wang等[36]利用石英晶体微天平检测空肠弯曲菌。通过抗体包被金纳米颗粒放大QCM信号，实现了空肠弯曲菌的灵敏检测。Zhang等[34]通过分子印迹技术制备了红泥/分子印迹聚吡咯微粒，使用表面改性的方式将其修饰在QCM电极上，实现了对胆红素的特异性识别。该压电生物传感器能够重复利用，而且可以长期保存。此外，他们[37]还将分子印迹TiO2固定在QCM电极上实现对尿酸的检测，该传感器在0.04~45 μmol/L范围内表现出良好的线性关系。Zhou等[38]基于QCM开发了双谐振压电细胞术（double resonator piezoelectric cytometry，DRPC）实现了对细胞力和黏弹性的同时定量测量。并且基于DRPC这项新技术实现对细胞力学性能的实时、无创地监测，从而分辨HeLa细胞焦亡与凋亡[39]，这为细胞死亡检测和药物评估提供了一种新的方法。

3.1.2 锆钛酸铅压电陶瓷

PZT具有机械耦合系数高、居里温度高、温度特性好等优势。通过添加元素改性或者用其他元素取代铅元素可以构建不同PZT型压电陶瓷，大大扩展了压电陶瓷的应用范围[21]。

PZT通常被用于制作自供电设备和压电悬臂梁传感器件。PZT不断朝着柔性方向发展，如：利用PZT制作可穿戴设备对人体运动进行监测。Park等[40]制备了一种柔性的PZT薄膜纳米发电机。通过溶胶-凝胶法在蓝宝石基底上沉积厚度为2 µm的PZT薄膜，退火后转移到涂有紫外线敏感聚氨酯的塑料 基板上，经激光器辐照后实现PZT薄膜与衬底分离，这种方式制备的PZT薄膜压电性能得到极大提升，重复9000次弯曲后PZT薄膜仍保持稳定的输出电压。在人体进行无规则轻微弯曲运动时，PZT薄膜纳米发电机有高能量的电流信号输出，可同时控制多个无外加电源的LED阵列，为研制自供电医学设备提供了新思路（图2a）。

Yeh等[41]将PZT作为敏感材料固定于硅胶板上，再通过黏合剂集成在运动学胶带上，该压电生物传感器可以贴附于关节部位来检测人体的运动状况。同时，贴片上附有小孔，可以通过电容变化来检测运动时的排汗情况（图2b）。Lin等[42]基于压电敏感材料PZT-5H设计了一个可穿戴超声波贴片系统，将超声探头和控制电子设备集成到柔性可穿戴设备，实现对中心血压、心率和心输出量的长时间自主检测，并通过机器学习算法提升其检测 的准确性。PZT压电材料还可以设计悬臂梁结构。Katta等[43]使用金属铂为电极、硅作衬底，将敏感材料PZT-5H夹在中间形成悬臂梁结构，一端固定在基板上用于与电子电路集成，另一端设计小型凹槽用于分子黏附，以便抗原与抗体结合。根据特异性吸附不同种类的抗原来检测多种热带疾病，能够从多种病毒/寄生虫混合样品中实现疾病的特异检测，且误差低、精度高、响应好。但如何解决PZT传感器的毒性与柔性问题还需进一步研究。Huang等[44]通过将聚合物氢化苯乙烯−丁二烯嵌段共聚物与PZT混合并包裹在聚合物中来增强延展性和降低毒性。经过处理的PZT压电生物传感器有着良好的柔韧性和较低的毒性，能够实现多种生理指标的检测。

3.1.3 氧化锌

作为绿色能源压电材料，氧化锌的制备简单，可用于制作压电纳米发电机，发电效率高，响应速度快[45]。Mao等[46]利用氧化锌纳米线阵列将人体运动产生的能量转化为电能对游泳过程进行实时监测，不同的游动姿势会产生不同的电压输出信号，可以对运动员的动作规范进行监测，该传感器有着良好的防水性能（图2c）。Bouvet等[47]将压电氧化锌纳米线用于指纹检测，该传感阵列受到机械变形时，ZnO纳米颗粒产生压电电势，通过电路读取并收集，从而重建与指纹相对应的3D变形场。

3.1.4 氮化铝

氮化铝制备的压电薄膜具有良好的柔性与化学稳定性，是一种优质的压电传感材料，可用来进行微生物和人体指标的检测[48]。Fathy等[49]利用氮化铝膜进行大肠杆菌的检测。制作了基于间隙法的V型微悬臂梁结构，通过电泳使得大肠杆菌在固定臂 与振动臂之间的间隙中富集来获得更高的检测灵 敏度。同时在氮化铝薄膜的表面覆盖pH响应水凝胶，水凝胶通过吸附汗液进行收缩或膨胀，引起氮化铝薄膜振荡频率变化，从而实现汗液中pH的检测[50]。

3.1.5 钛酸钡

钛酸钡具有良好的生物相容性，是构建压电生物传感器的重要材料之一。Selvarajan等[51]基于钛酸钡纳米颗粒制备了葡萄糖压电生物传感器。葡萄糖在钛酸钡薄膜上被氧化释放电子，抑制了一端正压电电压的形成，引起输出电压下降，通过建立电压下降值与葡萄糖浓度的关系曲线实现葡萄糖的检测。除此之外，钛酸钡纳米颗粒也是一种牙科填充材料，钛酸钡纳米颗粒的压电特性使其具有高效的抗菌与矿化作用。Montoya等[52]将钛酸钡压电纳米颗粒添加到牙科树脂中，它能有效抑制90%的口腔生物膜生长，避免产生的酶和酸腐蚀修复材料。

3.2 有机压电材料

有机压电材料是一种特殊的有机分子，它们能够在电场的作用下发生形变并产生电荷，同时也可被电荷激励。大多数有机压电材料，如聚偏氟乙烯、聚羟基丁酸酯（polyhydroxybutyrate，PHB）等，具有柔韧性好、频率响应范围宽、抗腐蚀性强和易于加工成压电薄膜等特性。

利用PVDF制作的自供电设备能够实现人体体征的准确监测。Zou等[53]基于PVDF设计了一种柔性自拱形生物传感器，该传感器由双层聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）、单层PVDF和Ecoflex组成，PDMS与Ecoflex不同质量配比使得两种材料之间的应力失配，从而调控自拱形结构，PVDF的嵌入形成纳米发电机，提升了生物传感器的信噪比和稳定性。传感器能够实现对桡动脉波形测定，有效地将机械信号转换成电信号（图3a）。Ghosal等[54]利用生物细菌蛋白改造聚偏氟乙烯的微观结构，构建具有多孔结构的生物有机膜。与纯PVDF相比，混有蛋白质的聚偏氟乙烯提高了熔点与介电常数，细菌蛋白的加入产生多孔结构和界面极化效应使得压电电压系数倍增。该传感器能够检测人体不同部位机械信号，如手腕、咽喉、颈部震动等，该传感器还能够检测到与说话单词同步的声带振动，并 产生电信号，这将会成为聋哑患者的福音（图3b）。Kim等[55]受生物肌腱的启发，设计了PVDF压电生物传感器，可将人体运动拉伸时产生的机械信号转换成电信号，实时监测人体上半身的运动状况。该传感器重量轻、便于穿戴、受人体运动影响小。另外，大多数有机压电材料还表现出良好的抗菌性。不同压电刺激下的PVDF对革兰氏阳性葡萄球菌和革兰氏阴性大肠杆菌生长状态的影响有差异[56]。基于不同的谐振频率，PVDF对革兰氏阳性葡萄球菌的生长会出现抑制和促进这两种完全相反的效果，而不影响革兰氏阴性大肠杆菌的生长，这为利用压电刺激控制细菌生长指出了一个方向。Vatlin等[57]发现超声处理后的压电聚羟基丁酸酯（图3c）、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯三氟乙烯和非压电聚己内酯聚合物薄膜可以抑制细菌生长。Zhu等[58]以同轴核壳结构压电纤维为感应层、柔性导电织物为电极层、高弹性聚氨酯薄膜为基底层制备了一种形状自适应纤维电子皮肤（图3d），其在运动医学、人机交互系统、智能机器人及智能假肢等领域具有广阔的应用前景。

3.3 压电复合材料

压电复合材料具有高压电响应和机电耦合系数，比单一压电材料有更高的热稳定性和力学性能[59]。目前基于压电复合材料的研究较多，并且在体征监测、医学诊断、抗菌方面均有应用。例如：将1-3型压电复合材料制成柔性超声血压传感器[60]，以压电陶瓷为基底，通过填充PDMS制作传感阵列，基于银纳米线制备可拉伸传感电极，解决了传统刚性基材与人体皮肤表面不匹配的问题。通过发送超声信号并接收回波，实现从人体血管直径到血压波形的转换，弥补了血压计、动脉插管、光体积描记术体积大、侵入式、适用区域窄的缺陷（图4a）。

Hosseini等[61]利用甘氨酸和水基壳聚糖制作了可降解的柔性压电生物传感器，在可穿戴生物医学诊断方面具有潜在的应用前景（图4b）。Wu等[62]利用金纳米颗粒修饰钛酸钡，形成压电复合材料实现声动力治疗，经超声波刺激后，材料对革兰氏菌表现出良好的抗菌效果（图4c）。Chernozem等[63]利用碳酸钙（CaCO3）、PHB构建压电复合支架，该支架在骨修复、组织再生、药物传递以及抗菌方面效果显著，对碱性磷酸酶和万古霉素的装载效率相对原始框架分别提升3.5倍和4.6倍，是一种非常有前途的压电复合材料。Takeda等[64]制备了钛酸钡（BaTiO3）/PVDF复合材料并将其应用于压电生物传感器，克服传统的石英生物传感器体积庞大且价格昂贵的缺点，可以低成本、灵敏、快速地检测传染病。

3.4 生物压电材料

压电材料经过发展衍生出如二苯丙氨酸膜、跨膜蛋白等一系列的生物压电材料，这些生物压电材料的研究与应用推动了压电生物传感器的发展。

良好的生物相容性是生物压电材料的先天优势，使其在植入式设备中具有良好的发展 前景。Romanyuk等[65] 提出了一种压电二苯丙氨酸（diphenylalanine，FF）薄膜制备的新方法。通过固 相结晶实现从非晶相到晶体的转化，将FF粉溶解 于六氟异丙醇储备溶液中，利用旋涂法制备FF薄膜，通过调控环境湿度与温度触发高度定向的压电活性区域的成核和生长。FF薄膜的横向压电响应约30 pm/V，凭借其天然的生物相容性和良好的压电特性可应用在植入式和可穿戴设备中（图5a）。Yang等[66]通过蒸发甘氨酸-聚乙烯醇溶液中的溶剂，制备了基于γ-甘氨酸晶体的压电生物材料薄膜，该薄膜的机械柔韧性强，压电常数高于大多数生物有机膜且均匀性良好。这种生物压电材料无毒且可水解，为植入式设备研发拓宽了道路（图5b）。Zhang等[67]通过协同纳米限域技术和原位极化制备了β-甘氨酸纳米晶膜（图5d）。该膜具有良好的输出性能、天然生物相容性和可生物降解性，为构建高性能大尺寸压电生物传感器界面材料提供了一种策略。

随着对生物压电材料的深入研究，生物蛋白与DNA的压电性能也逐渐被发现。2021年，跨膜蛋白ba3细胞色素c氧化酶单晶的压电特性被发现，拓宽了当前生物压电材料的研究范围[68]（图5c）。Yang等[69]发现DNA膜具有压电特性，提出了DNA膜的压电方程，研究显示DNA膜的弹性模量与压电系数的绝对值与封装密度成正比。

4 医疗健康领域应用

随着压电材料被持续开发利用，压电生物传感器在医疗健康领域的应用日益广泛。传感设备精确度、稳定性在不断提高，还可以与算法结合进行心率、脉压等信号的检测[70⇓⇓⇓~74]。与传统的光学[75,76]、机械[77,78]、超声[79]方法相比，压电生物传感器对人体监测更加灵敏，操作也更加简单。以下介绍了几种新型的压电生物传感器在生理性指标监测（心率、血压、脉搏）、生物标志物检测和疾病防控方面的研究进展。

4.1 生理性指标监测

心率、脉搏、血压是人体重要的生理指标，与人体健康及生命安全息息相关。心率异常可能是某些心脏疾病的潜在表现，而脉搏与血压的异常通常与心脑血管疾病相关。因此，对于这些生理指标的检测是十分必要的。

4.1.1 心率

心率是衡量心血管系统功能的一个重要指标。定期进行心率检测对于预防心脏病、优化运动计划和维护生理健康具有重要意义。Hu等[80]开发了一款可穿戴式心脏超声成像仪，选择1-3型复合材料来发射和接收超声波，宽波束复合图像的方式获得最佳的信噪比和空间分辨率，打破了传统心脏检测设备体积大、无法连续监测的缺陷，该设备具有极高的灵敏度，在重症监护、心血管疾病的实时监测方面将发挥重要作用（图6a）。胎儿的心率信号监测对于评估胎儿的健康状况十分重要。Nassit等[81]比较了PVDF与PZT这两种压电材料制作的传感器在胎儿心率检测方面的效果。PVDF基传感器在成本、机械性能、人体适用性、响应速度方面均优于PZT。将传感器黏附于人体表面会造成不适，非接触式测量能够解决这个问题。Chen等[82]设计了一种具有空心微结构的柔性自供电传感器（hollow microstructure self-powered pressure sensor，HM- SPS）用于睡眠与心率的非接触式监测。依据静电效应，HM-SPS检测到心跳与呼吸信号，并进行手机传输。仅使用商用聚合物薄膜即可同时实现18.98 V·kPa-1的动压灵敏度和40 kPa的工作范围。Fang等[83]通过压电传感器成功实现非接触心率信号的采集。

4.1.2 血压

血压监测主要是利用传感器监测桡动脉或者颈动脉的血压波形，建立输出波形与电压信号的关系进行健康实时监测。

Li等[84]用PVDF膜制作了10×10的脉冲波阵列传感器，结合深度学习算法实现桡动脉波形监测（图6b）。此外，Yi等[85]阐明了人体动脉脉搏与血压之间的代数关系以及人体关节运动对脉搏波的影响，消除了运动伪影，建立了仅需单一压电传感器即可实现血压连续监测的可穿戴系统。Lokesh 等[86]利用PZT设计了具有悬臂梁结构的无创压电血压传感器，其仿真结果展现出极高的灵敏度与灵活性。Wang等[87]开发了血压测试系统用于桡动脉信号测定，传感部分由PVDF薄膜组成，提升了检测时抗电磁场干扰的能力，整个系统操作简单，具有高灵敏度和宽压力检测范围。另一方面，利用PVDF薄膜与双栅薄膜晶体管结合构建自驱动血压监测传感器进行血压监测，实际测试结果完全符合美国医疗仪器检测协会的标准[88] 。利用人体颈动脉对传感器产生的压力也可以快速、准确、持续监测心率与脉压[89] 。

4.1.3 脉搏

脉搏也是反映人体健康状况的重要指标。Guo等[90]提出了一种压电脉搏传感器，能将心率异常时产生的异变脉搏波型转换成电信号输出。采用Moens-Korteweg方程进行分析，提升了检测结果的准确性（图6c）。生物压电能量采集器（biopiezoelectric energy harvester，BPEH）是一种新型脉搏波监测装置。Kar等[91] 利用天然压电材料鸡毛纤维制作BPEH。BPEH具有高机械强度，在手指的作用下3 min能够快速地为电容器充电2.0 V，将BPEH固定在手腕上，通过脉搏振动实现电容充电，能够实时监测测试者健康状态。BPEH还具有良好的生物相容性和环境友好性。Zhang等[92]将PVDF压电薄膜固定在柔性织物上设计了智能纺织腕带脉搏传感器，通过液相分离与拉伸极化工艺的结合提升了PVDF的压电性能。除了腕部脉搏监测外，指尖脉搏波测定也是脉搏检测的研究方向之一，Meng等[93]开发了一款自供电的半球形指尖压力传感器，可以检测指尖上微小脉搏跳动产生周期性信号，实现个性化医疗监测。该传感器的灵敏度达到49.8 mV/Pa，响应时间在6 ms内，使用寿命超过4个月。Sun等[94]使用两面镀银的PVDF作为压电材料制作了一种自供电多功能手环，将摩擦电与压电纳米发电机结合，无需外部电源即可稳定监测佩戴者在运动过程中的脉搏信号。

4.2 生物标志物检测

生物标志物的检测能够实现对疾病的预防与早期诊断。例如：恶性肿瘤对人体的危害是致命的。Pohanka[95]在QCM表面修饰肿瘤因子抗体，该压电传感器解决了酶联免疫吸附试验（enzyme linked immunosorbent assay，ELISA）检测耗时长的问题，为紧急测试提供了支持（图7a）。Su等[96]开发了PZT压电生物传感器进行癌症标志物检测。传感和控 制单元由两个陶瓷谐振器并联组成，使得传感性 能得到提升，能够检测微量样本，灵敏度达到0.25 ng/mL。蛋白酶在人体健康中扮演着重要角色，许多疾病的发生与蛋白异常紧密相关，如炎症、自身免疫病等。Xi等[97]采用一步孵化法开发了用于凝血酶检测的压电生物传感器，将装载有聚酰胺的金纳米笼与DNA探针固定于QCM上，进行凝血酶 的特异性适体杂交，将检测限降至7.7 pmol/L （图7b）。此外，对于球囊霉素的诊断，Pohanka 等[98]在石英晶体固定球囊霉素抗体的基础上加入了氧化铁纳米颗粒，降低了传感器的检测下限，且制造、操作简单，可长期保存。他们还将掺有纳米氧化铁颗粒的抗体固定在石英晶体微天平上测定蛋白质格洛马林，具有良好的灵敏度和低的检测限。

do Nascimento等[99]开发了QCM传感器用于自身抗体测定以及系统性红斑狼疮（systemic lupuseryth ematosus，SLE）的检测。对SLE患者进行测试，该传感器的检测性能可以达到ELISA标准。阿尔茨海默症是一种老年常见病，tau蛋白是其主要标志物。Li等[100]制作了一种石英晶体微天 平免疫传感器，实现了微摩尔级别的tau蛋白测定。Han等[101]将聚吡咯导电聚合物膜修饰在压电传感器电极表面来检测炎症因子，发现脂多糖和组胺的含量能够引起传感器内部不同偏移率，有望推动压电传感器在细胞学与毒理学的研究。作为细胞重要的能量来源和代谢中间产物，葡萄糖含量与人体健康状况密切相关。Dou等[102] 报道了一种水凝胶包裹石英晶体天平的葡萄糖检测装置，通过紫外加压聚合在QCM表面形成凝胶，能够进行唾液中微量葡萄糖的灵敏检测，检测限低至3 mg/L，与传统旋涂法制备的传感器相比降低为1/30。Perez-Vielma等[103]将QCM压电生物传感器用于研究生物活性肽（Val-Pro-Pro，VPP）与特定基因序列的相互作用，并且由于QCM的高灵敏度可以检测出VPP与基因之间的相互作用量。为利用VPP调控与疾病相关基因的表达提供了一种有效的验证手段。Wang等[104]使用氧化锌（ZnO）纳米线制备了一种自供电的压电生物传感器。酶修饰的ZnO纳米线通过压电效应和酶促反应的耦合效应可以主动输出与肌酐浓度相关的电信号，无需外部电源即可实现对人体肌 酐水平的实时检测，检测范围为10-5~10-1 mmol/L，灵敏度为0.0229 V/mM。

4.3 流行性疾病防控

虽然新冠肺炎疫情已经得到了有效控制，但其对人类健康依然存在威胁，新冠病毒的检测依然十分必要。Abdullah等[105]将传感器与微机电系统（micro electro mechanical systems，MEMS）集成 在口罩中，仅需佩戴口罩即可实现病毒的即时监测，可检测直径≥100 nm的病毒颗粒，该传感器在其他微生物检测方面同样具有潜在的应用前景（图8a）。Forinová等[106]利用三元共聚物构建了表面具有防污功能的QCM传感器，对样本进行简单处理后可以准确识别SARS-CoV-2，检测时间短、检测限低，达到1.3×104 PFU/mL。基于悬臂梁结构的压电生物传感器对新型冠状病毒的检测具有良 好的选择性。Kabir等[107]将抗体固定于悬臂梁表面，实现在临床样本中检测COVID-19，而不需要进行任何预处理和标记。Niranjan等[108]设计的压电MEMS微悬臂生物传感器能够快速、持续对SARS-CoV-2病毒做出反应，质量灵敏度在 20拷贝/mL。

不仅是新型冠状病毒，压电生物传感器对其他病毒的检测也在进行中。Ly等[109]利用QCM进行HIV-1抗原检测，并且将金纳米颗粒与链霉亲和素结合修饰在QCM表面进行信号增强，实现浓度为1 ng/mL样本的灵敏检测（图8b）。Pirich等[110]在石英晶体微天平上覆盖了一层细菌纤维素纳米纤维膜，两种材料结合提升了压电传感器对登革热非结构蛋白抗体的敏感度，降低了检测限。Niranjan等[111]设计了一种悬臂梁式压电生物传感器（图8c），实现了对基孔肯雅病毒的无标记、灵敏检测。使用能够在极端温度和不同的变化温度下保持稳定的压电性能的PZT-5A 作为压电材料，并模拟比较三种材料（硅、金和PDMS）的电压、应力和位移，得到PDMS是悬臂梁的最佳选择。该生物传感器由于不需要实验室设施来存储和处理样本，也不需要专业人员进行诊断，因此可以在偏远和资源匮乏的地区使用。

压电生物传感器的研发和应用，将有助于提高医疗保健和生命科学研究领域的检测技术水平，有望为人类健康事业做出更大的贡献。

5 结论与展望

本文介绍了压电生物传感器的工作原理和压电材料，总结了压电生物传感器在人体健康监测和疾病防控方面的应用。这些压电生物传感器有良好的稳定性和灵敏度，在健康监护与精准医疗领域具有巨大的潜在应用价值。然而，要实现便携、居家、智能、即时检测等多项功能，还面临诸多挑战：（1）目前较多的研究集中在实验室阶段，无法大规模投入生产。通过将传感器采集的数据与算法相结合，同时融合大数据进行统计分析实现智能化检测，有望加速压电生物传感器的市场化进程。（2）相对于目前研究较多的纸基、织物基生物传感器，压电生物传感器的基材成本依然较高，且部分压电材料存在毒性，环境友好性较低。因此通过改性、引入纳米材料等方法，研发造价低、生物相容性好的新型压电材料能够为压电生物传感器提供新的设计策略。（3）如何保持自供电型压电 生物传感器的稳定性与耐久性仍是需要攻克的难关。通过混合多种压电材料或者构建新型结构，有望提升自供电型压电生物传感器的性能。（4）压电生物传感器高通量检测技术有待进一步发展。结合微阵列设计，探索新方法来提升生物传感器检测通量，提高目标待测物的检测效率和准确性。通过众多科研工作者的努力，新型压电材料持续朝着柔性可穿戴的方向发展，这为压电生物传感器的发展提供了新的助力，相信在未来压电生物传感器将为我们的生活提供更多便捷的服务。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用
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国家自然科学基金项目(U2006218)

北京市自然科学基金项目(2214057)

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