生物感测器是一种分析用的元件，透过产生与反应中分析物浓度成正比的讯号来侦测生物或化学反应。国际纯化学和应用化学联合会（IUPAC） 将生物感测器定义为一种利用由分离的?、免疫系统、组织、细胞器或完整细胞介导的特定生化反应，通常透过电学、热学或光学讯号来侦测化学物质的装置。

这些装置也在多个领域迅速成长，包括医疗诊断（疾病监测、药物开发）、环境监测、食品安全及生物防御方面。近期的发展则是利用更快、更灵敏、更便於携带的生物感测器解决方案以取代传统的实验室诊断方法。这也促使生物感测器转向提供即时、现场分析的能力，进而更快的反应并改善结果。

虽然IUPAC对生物感测器的定义提供了一个标准化的框架 ，但技术的进步，特别是在构成「生物过程」的要素以及「可测量讯号」方面，正不断地从功能上扩展这一定义。此外，感测器的范围（电化学、光学、压电、热、磁性 ）以及讯号的复杂性在其细微差别上已超越了简单的「电学、热学或光学讯号」。因此，生物感测器的实际应用范围正在扩大，推动了可感测物质及其感测方式的界限。

连接生物与电子的桥梁：感测器

感测器是生物感测器中将生物识别事件转换为可测量物理讯号的关键组件。不同类型的感测器利用不同的物理化学原理，每种类型都有其独特的优势、局限性和材料创新方向。近年来，材料科学的进步，特别是奈米材料的应用，大幅提升了各类感测器的性能。

电化学感测器

电化学感测器透过测量由生化交互作用引起的电流（安培法）、电压（电位法）、阻抗（阻抗法）或电导率（电导法）的变化来工作，它们是应用最广泛且商业化程度最高的生物感测器类型，例如血糖监测仪。其主要优势包括高灵敏度、高选择性、快速响应、可携性、可扩展性和成本效益，并且非常适合小型化设计。

光学感测器

光学感测器透过检测光学性质（如吸收、萤光、表面等离子体共振 （SPR）、局部表面等离子体共振 （LSPR）、表面增强拉曼光谱 （SERS））的变化来量化分析物。它们的主要优势包括高特异性、低检测限（对低丰度生物标记物有效）、可实现即时和无标记检测、可重复使用性以及超快感测能力。

压电感测器

压电感测器利用压电效应，即机械应力产生电讯号或反之。它们透过测量晶体表面质量变化引起的共振频率变化来进行检测，这类感测器对质量或力的变化高度敏感，适用於环境监测和生物分子交互作用研究等应用。

热感测器

热感测器透过测量生化反应产生的温度变化（量热法），或将废热转换为电能（热电法）来进行感测。它们适用於需要即时、热敏感检测的应用，如?活性监测和代谢监测（例如血糖）。热电（TE）感测器可在宽温度范围内工作，为健康和环境监测提供了一种替代方案。

其他感测器

磁感测器透过检测磁性微米/奈米颗粒引起的磁场变化来进行感测。磁阻式和磁性颗粒检测生物感测器是其主要类型；悬臂梁式感测器，可以将磁、应力、电、热、化学、质量、流动等多种讯号转换为可检测的机械偏转。

生物感测器系统的电子与讯号处理

生物感测器的电子与讯号处理系统是将感测器产生的原始类比讯号转换为可理解的数位资讯，并进一步提取有用情报。近年来，其发展与消费电子应用密切相关，便是朝更小、更智能、更互联，并且越来越依赖复杂的软体（特别是AI）从原始感测器数据中取得价值。

小型化与整合

将电子元件（讯号放大器、处理器、显示器）与感测器整合，是实现小型化和高效能的关键，例如在基於CMOS的微感测器系统中，CMOS整合电路对於开发小型化、自主化、高灵敏度的电化学生物感测器很具优势，例如用於微生物监测的感测器。

另外，晶片实验室（Lab-on-a-Chip, LoC）系统则通过微流控技术（Microfluidics）将多个实验室功能整合到单个晶片上，进而提高了分析效率和可携性。这些小型化和整合的趋势，与微处理器和行动设备的发展，也显示物感测器将越来越便於携带和易於整合到各种应用场景中。

讯号放大、降噪与数据保真

生物感测器的电子电路通常包含讯号调节单元、处理器或微控制器，复杂的电子电路执行讯号调节任务，如讯号放，以及类比与数位的转换。感测器的可重复性（精密度和准确度）取决於感测器和电子元件的性能，因此对抗环境干扰的稳定性也是重要的一环。

无线技术

无线传输技也能提升生物感测器的检测能力，并促进其与数位健康平台的整合。例如，无线脑电图数据采集系统（weDAQ），可用於佩戴式脑电图监测，其采用标准印刷电路板（PCB）电极，以提供更大的检测灵活性。另外，无线供电的智慧绷带也被引入慢性伤囗护理领域，将生物感测器与IoT系统整合，可实现即时远程患者监护。

图一 : 无线传输技也能提升生物感测器的检测能力，并促进其与数位健康平台的整合。

人工智慧

随着生物感测器数据的日益复杂，人工智慧的导入也变得更为重要，因为AI能够处理和分析生物感测器产生的大量数据，识别模式并高精度地分类数据。AI将原始生物感测器数据转换为可操作的见解，以便及早识别健康问题。下一代生物感测器正在整合AI技术，以实现更专业化、更即时和更可靠的辨识分析。

结语

生物感测器技术正处於一个快速发展时代，从核元件的精进到整体系统架构的创新，再到与尖端技术的融合，生物感测器在灵敏度、选择性、响应速度、小型化、多工检测和可穿戴性等方面都有了显着突破。这些进展的背後，是材料科学、微制造技术、生物工程、电子工程以及资讯科学（尤其是AI和物联网）等多个学科领域的协同努力。

整体而言，生物感测器技术的前景乐观，其发展也将深刻影响个人化医疗、环境保护、食品安全和公共卫生等多个方面，并带来更健康、更安全、更智慧的社会环境。