生物传感器在体育科学中的应用
2008-08-04
作者：宋卫红
准确适时的运动监控是实现科学运动训练的重要前提。为了适应竞赛的体能要求，在运动训练中如何使运动负荷的强度和量接近或超过生理极限水平, 以及判断运动员体能是否已经恢复到可以进行下一轮训练而防止过度训练需要一些准确、客观的指标和安全、灵敏、便利的监控方法。进行机能评定的指标包括有生理,心理,及生化指标.对不同的运动项目所选取的关键而敏感指标通常是不一样的。体育教育和体育科研都是为运动训练及全民健身服务，传感器" title="生物传感器">生物传感器以其敏感性和准确性、易操作、价格便宜等特点将深受体育工作者的喜爱。
1 生物传感器简介
生物传感器是利用生物活性物质（即生物元件）做敏感器件，配以适当的换能器" title="换能器">换能器（即信号传导器）所构成的小型分析检测工具。它能对样品中的单一成分或混合成分进行分析和监测，并产生成比例的数字或者电子信号。与传统的检验方法相比，生物传感器这种新的检测手段具有如下优点：一般不需要样品预处理，样品中的被测组分的分离和检测同时完成，且测定时一般不需要加入其他试剂；由于它体积小，可以实现连续在线检测，响应快，样品用量少，且由于敏感材料是固定化的，可以反复多次使用，传感器连同测定仪" title="测定仪">测定仪的成本低于大型的分析仪器，便于推广普及。在工农业生产、环保、食品工业、医疗诊断等领域得到了广泛的应用。
依生物元件所选材料的不同，其组成可以是酶、核酸（寡聚核苷酸）、免疫物质（抗体，抗原，酶标抗原等）、全细胞（包括细菌，真菌，动物，植物的细胞）、组织（动物、植物细胞的组织切片）、细胞器（线粒体，叶绿体）以及具有生物亲合能力的物质（配体，受体等）或它们的不同组合，近年来还引入了高分子聚合物模拟酶。换能器的作用是将各种生物的、化学的和物理的信息转变成电信号。
生物传感器的类型和命名方法较多且不统一，生物传感器一般可以从以下3个角度来进行分类：根据传感器输出信号的产生方式可以分为生物亲和型生物传感器、代谢型生物传感器和催化型生物传感器；根据生物传感器中生物分子识别元件上的敏感物质可分为酶生物传感器、微生物传感器、组织传感器、免疫传感器、基因传感器等；根据换能器不同可分为电化学生物传感器，光生物传感器，热生物传感器，电导/电阻生物传感器，声波生物传感器，微悬臂梁生物传感器等。根据生物传感器的特性还可以分为微型生物传感器、纳米生物传感器，这种传感器在活体测定方面有重要意义。
2 生物传感器在体育科学中的应用
2.1 运动训练中的科学监测
目前关于运动员身体机能状态监控的方法大致分为三类[2]：一是通过教练员观察或运动员自身的主观评价，如自我感觉运动强度表（RPE）。二是通过运动负荷实验，根据运动员身体机能的变化评价机能状态。三是通过对血液,尿液,汗液等生理生化指标的分析测试，定量评价运动员的身体状况，如一般根据血乳酸、尿蛋白等指标的变化来测定运动强度，根据血糖、血脂肪酸、血氨等指标的变化掌握能源物质利用情况，通过血尿素、血睾酮、血清肌酸激酶活性等指标的变化来判断机体对训练负荷的适应程度，通过免疫学指标如淋巴细胞亚群CD4/CD8，血清免疫蛋白IGA、IGG、IGM和唾液Ig测定运动员的机能状况。其中第三种方法准确、客观、定量的反映运动员的身体机能状态。但在不同的运动训练中这些指标的效应不尽相同。传统的、常规的监测方法如血红蛋白，血糖、血乳酸测定以及免疫指标的测定等操作复杂，仪器设备昂贵，通常只能在实验室使用或特异性不高。研发灵敏性" title="灵敏性">灵敏性高,实用性强,操作便捷的监测手段对运动训练科学化显得尤为重要. 生物传感器具有灵敏性高,特异性强,和操作简单等特点, 既能准确监测运动训练过程中各种指标的瞬时变化，也能进行连续的监控。因此生物传感器应用于体育运动监测具有广阔的前景。
美国YSI公司于1975年推出第一个基于酶电极的葡萄糖测定仪，之后又推出一种外固定化酶型生物传感器，利用它可以测定出运动员锻炼后血液中存在的乳酸水平或糖尿病人的葡萄糖水平。我国山东省科学院生物研究所于1989年首次研研制成功的达到国际先进水平的生物传感分析仪，列为1990年国家级新产品，已广泛用于我国体育项目的科学训练中。但目前应用于体育训练中的生物传感器仅有乳酸和葡萄糖传感器。血红蛋白传感器，血尿素氮传感器等也将应用于体育训练中。同时一些新型的传感器，如组织、免疫传感器，嗅觉和味觉生化传感器，生物芯片等正在研究之中。随着生物传感器研制的进步和成功，在体育训练的科学监控中将更多的应用这一方便，灵敏以及特异性高，不需太多化学试剂的生物传感器技术。
2.2 生物传感器在体育教学和科研中的应用
随着信息化时代的到来，新技术的不断开发，新仪器、新设备的不断投入使用，生物传感器以其灵敏性强和特异性高，以及重复使用率高等特点不断渗透到体育教学和科研中来。体育教学中，尤其是体育实验教学过程中，如何简单、便捷的完成教学任务，达到教学目的，安全、环保的完成实验教学，已经成了许多研究者的追求目标。现在每完成一个实验，尤其是运动生理学实验，不仅需要昂贵的仪器，还要花费很多的耗材。这种易操作、价格便宜、易于批量生产、生产过程中进行质量监测的生物传感器在这一领域存在很大的市场。
在体育科学研究过程中同样追求新方法的研制，新技术的应用以新产品的使用。体育科学研究的对象主要是人，如何揭示人体运动过程中的生理生化以及身体机能的变化，需要一种安全的，无创的，而准确的仪器来采集人身上的数据。
3 生物传感器在医学和运动生理学中的应用
3.1 普通生物传感器的应用
生物传感器已在医学，运动生理学领域得到了广泛的应用。可动态监测人体血压、血液酸碱度、血糖浓度；也可检测酶活性、蛋白质等生化指标；现在应用医用传感器可以对人体的表面和内部温度、血压及腔内压力、血液及呼吸流量、肿瘤、血液的分析、脉波及心音、心脑电波等进行高难度的诊断。在各种医用电子学仪器中, 如常见的心电图机、脑电图机、肌电图机、装有CMOS 图像传感器的X 射线机、超声波C T 装置、X 线C T 机、P E T (正电子断层摄影设备) 、电子血压计、血液分析装置、医用体温计等装置中传感器都起着主要作用。
1967年Updike和Hicks把葡萄糖氧化酶(GOD)固定化膜和氧电极组装在一起，首先制成了第一种生物传感器，即葡萄糖酶电极，如今葡萄糖酶传感器现已广泛应用于血液里葡萄糖的检测中[3]。乳酸是肌肉连续运动的代谢产物，研究基础代谢和运动生理时都需要进行乳酸测定。乳酸测定仪[4]是迄今最成功的商品酶传感器之一。Detry等[5]在对乳酸传感器方法的评价时指出，光度计测定法操作速度过慢，即使在正常情况下，也将在收集血液30min后才能有结果。而他们所用的两种传感器能在不到1分钟，仅仅10ul生物液体中就能测量乳酸浓度，而且两种传感器的结果满意。Lillst等人[6]也研制了一种有硅制成的电流传感器，用不到40s的时间就能成功的监测10mM 的乳酸。但有实验表明[7]用皮下或皮间的微透析法连续监测人体运动过程中乳酸浓度是不行的，除非把探针放置于血管内。我国学者周爱玉等[8]研制出一种基于干法光学反射原理，以AD?滋C924微转换器为控制核心，以超高亮度LED和光敏电阻为主要光电器件的便携式血红蛋白检测系统，该系统将在Hb现场快速检测和血液筛查中有广泛的应用前景。当然利用生物传感器在体监测和连续监测运动过程中的乳酸浓度技术还需进一步改进和完善。1995 年推出了新机种SBA-50，它的自动化程度列高，不仅可以测定乳酸，而且可以通过更换酶膜，测定葡萄糖等其它底物及有关的酶。2004年SBA-70血糖、乳酸自动分析仪研制成功[9]，仪器在1min内能自动完成采样、分析、清洗等全部操作，分析的重复性很好，误差小于2%。
另外，表面等离子体谐振（SPA）在生化指标的检测方面得到了广泛应用。SPR传感器能够准确、灵敏、快速、简便地检测多种生化指标，并实时监测生物大分子间的相互作用及影响因素的作用环节用其测定糖尿病肾病患者尿样中的蛋白含量，灵敏度和精确度比现行临床方法都有很大提高[10]。还有人研制了[11]一种基于叉指阵列（IDA）薄膜电极的血液分析型医用多参量测量的生物传感器。工作区中的微电极上分别固定上不同的酶，能过检测“发生收集”模式下的IDA微电极上生化所产生的微电流分别测试血液中血糖，胆固醇，酮体和乳酸浓度。Sergei 等将光纤去掉包层后镀上金膜,通过自组装技术将肌红蛋白" title="肌红蛋白">肌红蛋白和肌钙蛋白抗体连接到羟甲基化葡聚糖层,用这种方法制成光纤SPR 传感器检测肌红蛋白,其检测限达到209μg/ L ,肌钙蛋白检测限达到1.4 μg/ L 。
生物传感器已在医学和运动生理学领域得到很大的应用，不久的将来，这些传感器将不断渗透进体育活动的科学训练中来，为科学训练提供更加灵敏的监测方法和手段。
3.2 生物芯片
生物芯片包括基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片、组织芯片及元件型微阵列芯片等新型生物芯片。它是是近年开发的一种高通量DNA 分析技术,在一张大约2cm2 的芯片上可以集中几万甚至10万个基因或探针,进行一次实验就可以得出过去要用数月才能得出的结果[12]。由于众多探针在一次反应体系中反应,还去除了不必要的系统误差,数据的均一性得到了保证。生物芯片表面点阵中每一个点都可以视为一个传感器的探头（即转换元件）。目前生物芯片已广泛用于医学监床诊断、新药开发、寻找新基因、DNA测序等。将来生物芯片不仅能应用于运动员选材、兴奋剂的监控，还可用于运动训练的科学监控。
4 生物传感器在体育科学中应用的展望
生物传感器以其足够的敏感性和准确性、易操作、价格便宜、易于批量生产、能够进行在线在体监测等优点将会应用到更广泛的领域。虽然目前应用于体育科学中的生物传感器仅用于血糖、血乳酸、血红蛋白、肌红蛋白的检测,但随着生物传感器的开发和发展,生物传感器无论是在运动训练、体育教学、体育科研还是体育锻炼过程中都将得到广泛的使用。
1 生物传感器简介
生物传感器是利用生物活性物质（即生物元件）做敏感器件，配以适当的换能器" title="换能器">换能器（即信号传导器）所构成的小型分析检测工具。它能对样品中的单一成分或混合成分进行分析和监测，并产生成比例的数字或者电子信号。与传统的检验方法相比，生物传感器这种新的检测手段具有如下优点：一般不需要样品预处理，样品中的被测组分的分离和检测同时完成，且测定时一般不需要加入其他试剂；由于它体积小，可以实现连续在线检测，响应快，样品用量少，且由于敏感材料是固定化的，可以反复多次使用，传感器连同测定仪" title="测定仪">测定仪的成本低于大型的分析仪器，便于推广普及。在工农业生产、环保、食品工业、医疗诊断等领域得到了广泛的应用。
依生物元件所选材料的不同，其组成可以是酶、核酸（寡聚核苷酸）、免疫物质（抗体，抗原，酶标抗原等）、全细胞（包括细菌，真菌，动物，植物的细胞）、组织（动物、植物细胞的组织切片）、细胞器（线粒体，叶绿体）以及具有生物亲合能力的物质（配体，受体等）或它们的不同组合，近年来还引入了高分子聚合物模拟酶。换能器的作用是将各种生物的、化学的和物理的信息转变成电信号。
生物传感器的类型和命名方法较多且不统一，生物传感器一般可以从以下3个角度来进行分类：根据传感器输出信号的产生方式可以分为生物亲和型生物传感器、代谢型生物传感器和催化型生物传感器；根据生物传感器中生物分子识别元件上的敏感物质可分为酶生物传感器、微生物传感器、组织传感器、免疫传感器、基因传感器等；根据换能器不同可分为电化学生物传感器，光生物传感器，热生物传感器，电导/电阻生物传感器，声波生物传感器，微悬臂梁生物传感器等。根据生物传感器的特性还可以分为微型生物传感器、纳米生物传感器，这种传感器在活体测定方面有重要意义。
2 生物传感器在体育科学中的应用
2.1 运动训练中的科学监测
目前关于运动员身体机能状态监控的方法大致分为三类[2]：一是通过教练员观察或运动员自身的主观评价，如自我感觉运动强度表（RPE）。二是通过运动负荷实验，根据运动员身体机能的变化评价机能状态。三是通过对血液,尿液,汗液等生理生化指标的分析测试，定量评价运动员的身体状况，如一般根据血乳酸、尿蛋白等指标的变化来测定运动强度，根据血糖、血脂肪酸、血氨等指标的变化掌握能源物质利用情况，通过血尿素、血睾酮、血清肌酸激酶活性等指标的变化来判断机体对训练负荷的适应程度，通过免疫学指标如淋巴细胞亚群CD4/CD8，血清免疫蛋白IGA、IGG、IGM和唾液Ig测定运动员的机能状况。其中第三种方法准确、客观、定量的反映运动员的身体机能状态。但在不同的运动训练中这些指标的效应不尽相同。传统的、常规的监测方法如血红蛋白，血糖、血乳酸测定以及免疫指标的测定等操作复杂，仪器设备昂贵，通常只能在实验室使用或特异性不高。研发灵敏性" title="灵敏性">灵敏性高,实用性强,操作便捷的监测手段对运动训练科学化显得尤为重要. 生物传感器具有灵敏性高,特异性强,和操作简单等特点, 既能准确监测运动训练过程中各种指标的瞬时变化，也能进行连续的监控。因此生物传感器应用于体育运动监测具有广阔的前景。
美国YSI公司于1975年推出第一个基于酶电极的葡萄糖测定仪，之后又推出一种外固定化酶型生物传感器，利用它可以测定出运动员锻炼后血液中存在的乳酸水平或糖尿病人的葡萄糖水平。我国山东省科学院生物研究所于1989年首次研研制成功的达到国际先进水平的生物传感分析仪，列为1990年国家级新产品，已广泛用于我国体育项目的科学训练中。但目前应用于体育训练中的生物传感器仅有乳酸和葡萄糖传感器。血红蛋白传感器，血尿素氮传感器等也将应用于体育训练中。同时一些新型的传感器，如组织、免疫传感器，嗅觉和味觉生化传感器，生物芯片等正在研究之中。随着生物传感器研制的进步和成功，在体育训练的科学监控中将更多的应用这一方便，灵敏以及特异性高，不需太多化学试剂的生物传感器技术。
2.2 生物传感器在体育教学和科研中的应用
随着信息化时代的到来，新技术的不断开发，新仪器、新设备的不断投入使用，生物传感器以其灵敏性强和特异性高，以及重复使用率高等特点不断渗透到体育教学和科研中来。体育教学中，尤其是体育实验教学过程中，如何简单、便捷的完成教学任务，达到教学目的，安全、环保的完成实验教学，已经成了许多研究者的追求目标。现在每完成一个实验，尤其是运动生理学实验，不仅需要昂贵的仪器，还要花费很多的耗材。这种易操作、价格便宜、易于批量生产、生产过程中进行质量监测的生物传感器在这一领域存在很大的市场。
在体育科学研究过程中同样追求新方法的研制，新技术的应用以新产品的使用。体育科学研究的对象主要是人，如何揭示人体运动过程中的生理生化以及身体机能的变化，需要一种安全的，无创的，而准确的仪器来采集人身上的数据。
3 生物传感器在医学和运动生理学中的应用
3.1 普通生物传感器的应用
生物传感器已在医学，运动生理学领域得到了广泛的应用。可动态监测人体血压、血液酸碱度、血糖浓度；也可检测酶活性、蛋白质等生化指标；现在应用医用传感器可以对人体的表面和内部温度、血压及腔内压力、血液及呼吸流量、肿瘤、血液的分析、脉波及心音、心脑电波等进行高难度的诊断。在各种医用电子学仪器中, 如常见的心电图机、脑电图机、肌电图机、装有CMOS 图像传感器的X 射线机、超声波C T 装置、X 线C T 机、P E T (正电子断层摄影设备) 、电子血压计、血液分析装置、医用体温计等装置中传感器都起着主要作用。
1967年Updike和Hicks把葡萄糖氧化酶(GOD)固定化膜和氧电极组装在一起，首先制成了第一种生物传感器，即葡萄糖酶电极，如今葡萄糖酶传感器现已广泛应用于血液里葡萄糖的检测中[3]。乳酸是肌肉连续运动的代谢产物，研究基础代谢和运动生理时都需要进行乳酸测定。乳酸测定仪[4]是迄今最成功的商品酶传感器之一。Detry等[5]在对乳酸传感器方法的评价时指出，光度计测定法操作速度过慢，即使在正常情况下，也将在收集血液30min后才能有结果。而他们所用的两种传感器能在不到1分钟，仅仅10ul生物液体中就能测量乳酸浓度，而且两种传感器的结果满意。Lillst等人[6]也研制了一种有硅制成的电流传感器，用不到40s的时间就能成功的监测10mM 的乳酸。但有实验表明[7]用皮下或皮间的微透析法连续监测人体运动过程中乳酸浓度是不行的，除非把探针放置于血管内。我国学者周爱玉等[8]研制出一种基于干法光学反射原理，以AD?滋C924微转换器为控制核心，以超高亮度LED和光敏电阻为主要光电器件的便携式血红蛋白检测系统，该系统将在Hb现场快速检测和血液筛查中有广泛的应用前景。当然利用生物传感器在体监测和连续监测运动过程中的乳酸浓度技术还需进一步改进和完善。1995 年推出了新机种SBA-50，它的自动化程度列高，不仅可以测定乳酸，而且可以通过更换酶膜，测定葡萄糖等其它底物及有关的酶。2004年SBA-70血糖、乳酸自动分析仪研制成功[9]，仪器在1min内能自动完成采样、分析、清洗等全部操作，分析的重复性很好，误差小于2%。
另外，表面等离子体谐振（SPA）在生化指标的检测方面得到了广泛应用。SPR传感器能够准确、灵敏、快速、简便地检测多种生化指标，并实时监测生物大分子间的相互作用及影响因素的作用环节用其测定糖尿病肾病患者尿样中的蛋白含量，灵敏度和精确度比现行临床方法都有很大提高[10]。还有人研制了[11]一种基于叉指阵列（IDA）薄膜电极的血液分析型医用多参量测量的生物传感器。工作区中的微电极上分别固定上不同的酶，能过检测“发生收集”模式下的IDA微电极上生化所产生的微电流分别测试血液中血糖，胆固醇，酮体和乳酸浓度。Sergei 等将光纤去掉包层后镀上金膜,通过自组装技术将肌红蛋白" title="肌红蛋白">肌红蛋白和肌钙蛋白抗体连接到羟甲基化葡聚糖层,用这种方法制成光纤SPR 传感器检测肌红蛋白,其检测限达到209μg/ L ,肌钙蛋白检测限达到1.4 μg/ L 。
生物传感器已在医学和运动生理学领域得到很大的应用，不久的将来，这些传感器将不断渗透进体育活动的科学训练中来，为科学训练提供更加灵敏的监测方法和手段。
3.2 生物芯片
生物芯片包括基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片、组织芯片及元件型微阵列芯片等新型生物芯片。它是是近年开发的一种高通量DNA 分析技术,在一张大约2cm2 的芯片上可以集中几万甚至10万个基因或探针,进行一次实验就可以得出过去要用数月才能得出的结果[12]。由于众多探针在一次反应体系中反应,还去除了不必要的系统误差,数据的均一性得到了保证。生物芯片表面点阵中每一个点都可以视为一个传感器的探头（即转换元件）。目前生物芯片已广泛用于医学监床诊断、新药开发、寻找新基因、DNA测序等。将来生物芯片不仅能应用于运动员选材、兴奋剂的监控，还可用于运动训练的科学监控。
4 生物传感器在体育科学中应用的展望
生物传感器以其足够的敏感性和准确性、易操作、价格便宜、易于批量生产、能够进行在线在体监测等优点将会应用到更广泛的领域。虽然目前应用于体育科学中的生物传感器仅用于血糖、血乳酸、血红蛋白、肌红蛋白的检测,但随着生物传感器的开发和发展,生物传感器无论是在运动训练、体育教学、体育科研还是体育锻炼过程中都将得到广泛的使用。
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