综述：生物传感器在中医药研究中的应用：一项系统性综述

《Chinese Medicine》：Application of biosensors in research of traditional Chinese medicine: a systematic review

　　

作为先进的分析工具，生物传感器(biosensors)将生物识别元件与物理化学换能器相结合，实现对目标分析物的灵敏、选择性检测。随着中医药(TCM)研究的不断深入并向整体性与功能性评价转变，生物传感器凭借其高灵敏度、强特异性、高通量及快速响应等优势，展现出重要应用前景，有望成为连接中药化学成分与其药理活性的有效桥梁。本综述系统检索了Web of Science、PubMed、Google Scholar及中国知网(CNKI)中2001年至2025年发表的文献，总结了生物传感器在中医药研究中的原理、分类、优势及多样化应用，涵盖药材品种鉴定、活性成分分析与筛选、靶点探索、药物-靶点亲和力测定、质量控制及安全性评价等领域。文中重点介绍了新型生物传感器研发、微技术与集成化、智能数据处理等技术进展，并探讨了当前局限性及潜在应对策略。最后，提出了生物传感器在中医药研究中的前景与未来方向，强调其在推动创新及加速中医药产业现代化进程中的潜力。

引言

中医药作为历史悠久的医学体系，在疾病预防、治疗与健康维护中发挥关键作用，其核心在于强调整体观与多成分协同效应。然而，多组分复方、多靶点相互作用及体内代谢转化的复杂性，长期制约着其科学阐释与现代化进程。现有液相色谱-质谱(LC-MS)、核磁共振波谱及毛细管电泳等技术虽提升了化学成分表征能力，但局限于化学实体的定性与定量分析，无法直接反映生物活性或与特定分子靶点的相互作用。相比之下，生物传感器整合酶、受体、抗体、细胞等生物识别元件与物理化学换能器，将分子识别事件转化为可测信号，可直接评估酶活性、受体结合力及细胞反应等功能参数，实现高灵敏、特异、快速的靶标分析。近年来，生物传感器已成功应用于药材鉴定、活性成分筛选、靶点探索、药物-靶点亲和力测定、质量控制及安全性监测等多个环节，凸显了其将分子信息与生物功能直接关联的独特优势，有效弥补了传统分析方法的不足。纳米材料、微流控芯片及类器官模型等技术的进步进一步提升了检测效率与重现性，结合色谱、光谱系统的联用增强了分析准确性与多参数检测能力。机器学习(ML)的引入实现了智能模式识别、数据融合与预测建模，推动了中医药分析向自动化、高通量方向发展。尽管生物识别元件的长期稳定性与重现性、复杂基质干扰、多重分析能力限制及标准化方法缺失等问题仍待解决，但跨学科合作正持续推动技术突破。总体而言，生物传感器作为连接中药化学复杂性与生物学本质的桥梁，其向小型化、便携化、自动化及智能化的发展将显著提升分析精度，促进中医药的现代化、标准化与国际化。

综述方法学

本综述系统阐述了生物传感器的原理、分类、优势及其在中医药研究中的具体应用。“中医药研究”定义为聚焦中药材、饮片、提取物、配方颗粒及成方制剂的非临床实验研究，涵盖药材基源鉴定、物质基础、质量控制、药理机制、安全性评价、临床疗效及生产工艺等范畴。为确保分析的严谨性，研究检索了Web of Science、PubMed、Google Scholar及CNKI等数据库，采用“生物传感器”“中医药”“草药”等关键词进行标题、摘要及关键词检索，并通过CiteSpace软件对246篇纳入文献（2001-2025年，覆盖32个国家/地区）进行文献计量分析。关键词共现图谱显示，“中医药”与“表面等离子体共振(SPR)”为核心节点，“鉴定”“抗氧化活性”“结合”及“定量分析”等高频词反映了应用的多样性，而“人工智能(AI)”与“机器学习(ML)”在2021-2025年间呈显著增长趋势，成为新兴研究前沿。文献排除标准包括：超出时间范围、缺乏传感器类型/检测原理/靶标/灵敏度/特异性/检测限等关键信息的文献，以及与中医药应用无直接关联的文献。

生物传感器的原理、分类与优势

基本原理：生物传感器是将生物响应转化为可测物理信号的装置，由生物识别元件、信号换能器及信号处理系统三部分构成。生物识别元件（酶、受体、抗体、核酸、细胞等）通过特异性结合或反应引起光、热、pH或质量等性质变化；信号换能器（电化学电极、SPR系统、场效应晶体管(FET)、压电石英晶体等）将初级信号转化为电、光或机械信号；信号处理系统则对信号进行放大、滤波与数字化处理，输出可读数据。

分类：目前尚无统一分类标准，按换能器类型可分为电化学生物传感器、半导体生物传感器、SPR生物传感器、荧光生物传感器等。本综述采用此分类，并总结了各类传感器在中医药分析中的应用。

优势：与传统方法相比，生物传感器不仅能定性定量分析化学成分，更能直接关联化学信息与生物功能。其高选择性可有效抵抗复杂基质干扰，即使痕量靶标也可在结构类似物共存下被精准识别。此外，生物传感器可提供实时功能信息（如酶促反应、受体结合、细胞响应），实现无标记检测、快速响应及微量样品分析，且兼容温和检测条件以保护热不稳定成分。微流控与纳米技术的融合更推动了其向小型化、便携化发展，支持多靶标同时检测与原位实时监测，契合中医药整体性与多靶点的特性。

生物传感器在中医药研究中的应用

药材品种鉴定：传统经验依赖的性状与显微鉴别主观性强、标准化不足。电化学DNA生物传感器通过靶向特异性序列（如5S rRNA间隔区、ITS2条形码）实现物种精准鉴定，检测限可达亚飞摩尔级，单碱基分辨率，并能区分近缘混伪品（如贝母属、番红花）。电化学指纹图谱还可用于唇形科等多属植物的系统分类，展现了从物种到类群鉴定的广泛适用性。

活性成分分析与筛选：针对中药化学复杂性导致的活性成分发现困难，SPR生物传感器通过固定靶蛋白（如黄嘌呤氧化酶(XOD)、CXCR4受体、碳酸酐酶II(CA II)）实现活性成分的实时、无标记筛选与亲和力分析。例如，从菊花中筛选出14种黄嘌呤氧化酶抑制剂，其中木犀草素与芹菜素的平衡解离常数(K_D)达10^-7-10^-8M；双通道SPR平台从川芎中鉴定出藁本内酯I为CXCR4潜在拮抗剂；多靶标SPR芯片验证了固本咳喘汤39种成分与慢性支气管炎相关靶点（NFKB1、TNF-α、MMP-9、MAPK1）的相互作用。

作用靶点探索：生物传感器可实时定量解析活性成分与靶点的结合动力学。例如，利用IAsys亲和生物传感器证实没食子酸丙酯可剂量依赖性增强肿瘤坏死因子-α(TNF-α)与可溶性TNF受体I(sTNFR-I)的结合；SPR芯片验证甘地胶囊中黄芩苷与灯盏花素可特异性结合HNF4A、HMGCR等4个网络药理学预测靶点（K_D=0.55-178.7 μM）；高电子迁移率晶体管(HEMT)生物传感器从过敏性鼻炎复方中筛选出5-O-甲基维斯阿米醇苷等3种活性成分，其与巨噬细胞移动抑制因子(MIF)及白细胞介素-1β(IL-1β)的K_D值多为皮摩尔级；光纤SPR传感器证实异槲皮苷的主要靶点为蛋白酪氨酸磷酸酶非受体型1(PTPN1)。

药物-靶点亲和力测定：生物传感器可实时监测结合动力学参数。例如，电化学DNA生物传感器测定抗癌成分小檗碱与DNA的结合常数与结合位点数；SPR生物传感器验证表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG)对SARS-CoV-2 3CL^pro蛋白酶具有强结合力（K_D=6.17 μM）与抑制活性（IC₅₀=0.874±0.005 μM）；SPR技术证实杜鹃素与槲皮素对人谷氨酰环化酶(hQC)具有高亲和力（K_D分别为0.4±0.1 nM与5.3±0.5 nM）及稳定的结合动力学。

质量控制：传统药典方法（HPLC、GC、TLC）存在离线分析、前处理繁琐、通量低等局限。生物传感器可实现原位、在线、并行检测。例如，HEMT生物传感器结合味觉受体T1R2/T1R3/TRPV1评价健胃消食片“性味”相关的关键质量属性；MIF-HEMT生物传感器筛选同仁牛黄清心丸中19种与缺血性卒中治疗相关的潜在质量标志物；表面增强拉曼散射(SERS)生物传感器结合ML算法实现苦杏仁苷的超灵敏检测（LOD=1×10^-6g/L）；漆酶/二氧化钛/多壁碳纳米管复合电化学传感器实现对络石藤与蒲公英中木犀草素的高灵敏定量。

安全性评价：主要针对外源性有害物质。农药残留检测方面，基于乙酰胆碱酯酶(AChE)抑制原理的荧光与电化学传感器可检测当归、肉苁蓉、黄芪中的毒死蜱、甲基对硫磷等有机磷农药；适配体荧光传感器利用氧化单壁碳纳米角(oxSWCNHs)与cryonase信号放大，实现山药、苦参中啶虫脒的高特异性检测。重金属检测方面，纳米通道传感器通过Pb²⁺特异性肽识别铅离子，电化学传感器基于T-Hg²⁺-T配位化学与催化发夹组装信号放大策略检测冬虫夏草中汞离子（LOD=0.12 pM），荧光传感器利用三苯胺席夫碱特异性识别金银花中铜离子。病原微生物污染检测方面，基于电子转移与原子转移自由基聚合信号放大的荧光传感器可检测山药、地黄等药材中的黄曲霉毒素B1(AFB1)；适配体SERS传感器实现连翘、黄芪等中赭曲霉毒素A(OTA)的高灵敏检测（回收率90.00%-105.00%）；双信号电化学适配体传感器结合NH₂-MIL-101@MoS₂纳米复合材料，实现对麦芽与桃仁中脱氧雪腐镰刀菌烯醇(DON)的超灵敏检测（LOD=0.31 fg/mL）。

中医药研究中生物传感器的技术进步

新型生物传感器开发：半导体生物传感器如HEMT利用异质结界面二维电子气(2DEG)的浓度调制实现超高灵敏度检测，例如Syk/Lyn/Fyn功能化HEMT芯片从过敏康方中鉴定出海防风醇与大黄素，延伸栅HEMT传感器将木脂素A的检测限提升至2.787 fg/L，线性范围达5个数量级。纳米生物传感器则利用量子点、金属纳米材料等优异的光电性能与生物相容性，显著提升传感器性能，如金纳米颗粒/活性炭改性壳聚糖复合电化学传感器可高效评价贯叶连翘内生真菌次级代谢产物的抗氧化活性。

微技术与集成化：微型化旨在减小设备体积与试剂消耗，集成化则实现多功能模块的协同设计。例如，光纤SPR微流idic芯片体积仅5.50 dm³，检测时间缩短至45分钟，无需大型光学解调设备；硅基集成生物传感器系统将PCR微反应器（8 μL）与DNA微阵列（90个点样位点）整合于单一芯片，实现了有毒中药材DNA的快速、高通量鉴定，体现了“芯片实验室”理念。

智能数据处理：机器学习(ML)框架通过数据预处理（去噪、归一化）、特征提取（时频分析、主成分分析(PCA)）与分类建模（深度学习、支持向量机(SVM)）提升数据分析效能。例如，PCA降维结合SVM对罗丹明6G拉曼光谱的分类准确率达83%；决策树模型对薯蓣皂苷元与鸢尾黄素光谱的分类准确率高达90.91%；最小二乘支持向量机(LSSVM)较人工神经网络(ANN)与传统线性回归模型具有更高的预测精度与抗过拟合能力，实现了双黄连口服液中黄芩苷浓度的智能预测。

总结与展望

局限性与应对策略

稳定性与重现性问题：生物识别元件对环境敏感，温度波动、pH变化及复杂基质（色素、有机酸、多糖）可导致活性下降与非特异性吸附。温度补偿策略包括传感器结构自补偿与算法校正，如微纳3D打印光纤SPR微流控传感器通过双检测区波长分光复用消除温度串扰。抗非特异性吸附策略涵盖表面涂层修饰（聚乙二醇(PEG)、两性材料、纳米结构表面）与样品前处理（稀释、超声、离心、表面活性剂）。重现性受制备批次差异影响，分子印迹技术可有效提升制备一致性与重复使用性。未来需从材料设计、工艺优化与数据处理三维度协同攻关，结合微流控接口优化，推动实验室成果向实际应用转化。

标准化与产业化障碍：缺乏统一的性能评价标准与操作规程，生物元件活性/稳定性差异及校准品缺失限制了数据可比性。产业化面临成本高、规模化难、储存条件苛刻及通量不足等挑战。需加强专业人才培养、推进系统化制造工艺、建立标准化方法学与性能验证规程、开发与应用需求匹配的多参数集成仪器、发展在线检测技术，并探索纳入药典附录或行业标准的监管路径。

人工智能可解释性挑战：AI模型的“黑箱”特性与训练数据质量限制了机理阐释。需选用可解释算法（决策树、逻辑回归）或结合沙普利加性解释(SHAP)、注意力机制等工具解析模型决策；整合知识图谱将模型输出与中医药理论对照；建立标准化多场景数据库，通过数据增强、迁移学习及“预测-验证-优化”闭环反馈提升模型鲁棒性。

前景与展望

生物传感器通过多靶标、多功能、多通道检测，直接契合中医药整体观与多成分协同效应的研究需求。其与物联网(IoT)、云计算的融合将构建覆盖种植、加工、流通、储存及临床应用的全链条质量保障网络，实现“从田间到临床”的全程追溯。微流控芯片、类器官芯片与AI的交叉集成，将为构建符合中医药整体评价理念的“智慧中医药”生态系统提供技术支撑，推动质量控制从单一成分分析向功能导向综合评价的范式转变。尽管稳定性、重现性及标准化等挑战仍需多学科协作攻克，但生物传感器有望成为中医药国际化、精准化与个性化临床应用的可靠工具。