生物感測器是一種分析用的元件，透過產生與反應中分析物濃度成正比的訊號來偵測生物或化學反應。國際純化學和應用化學聯合會（IUPAC） 將生物感測器定義為一種利用由分離的?、免疫系統、組織、細胞器或完整細胞介導的特定生化反應，通常透過電學、熱學或光學訊號來偵測化學物質的裝置。

這些裝置也在多個領域迅速成長，包括醫療診斷（疾病監測、藥物開發）、環境監測、食品安全及生物防禦方面。近期的發展則是利用更快、更靈敏、更便於攜帶的生物感測器解決方案以取代傳統的實驗室診斷方法。這也促使生物感測器轉向提供即時、現場分析的能力，進而更快的反應並改善結果。

雖然IUPAC對生物感測器的定義提供了一個標準化的框架 ，但技術的進步，特別是在構成「生物過程」的要素以及「可測量訊號」方面，正不斷地從功能上擴展這一定義。此外，感測器的範圍（電化學、光學、壓電、熱、磁性 ）以及訊號的複雜性在其細微差別上已超越了簡單的「電學、熱學或光學訊號」。因此，生物感測器的實際應用範圍正在擴大，推動了可感測物質及其感測方式的界限。

連接生物與電子的橋樑：感測器

感測器是生物感測器中將生物識別事件轉換為可測量物理訊號的關鍵組件。不同類型的感測器利用不同的物理化學原理，每種類型都有其獨特的優勢、局限性和材料創新方向。近年來，材料科學的進步，特別是奈米材料的應用，大幅提升了各類感測器的性能。

電化學感測器

電化學感測器透過測量由生化交互作用引起的電流（安培法）、電壓（電位法）、阻抗（阻抗法）或電導率（電導法）的變化來工作，它們是應用最廣泛且商業化程度最高的生物感測器類型，例如血糖監測儀。其主要優勢包括高靈敏度、高選擇性、快速響應、可攜性、可擴展性和成本效益，並且非常適合小型化設計。

光學感測器

光學感測器透過檢測光學性質（如吸收、螢光、表面等離子體共振 （SPR）、局部表面等離子體共振 （LSPR）、表面增強拉曼光譜 （SERS））的變化來量化分析物。它們的主要優勢包括高特異性、低檢測限（對低豐度生物標記物有效）、可實現即時和無標記檢測、可重複使用性以及超快感測能力。

壓電感測器

壓電感測器利用壓電效應，即機械應力產生電訊號或反之。它們透過測量晶體表面質量變化引起的共振頻率變化來進行檢測，這類感測器對質量或力的變化高度敏感，適用於環境監測和生物分子交互作用研究等應用。

熱感測器

熱感測器透過測量生化反應產生的溫度變化（量熱法），或將廢熱轉換為電能（熱電法）來進行感測。它們適用於需要即時、熱敏感檢測的應用，如?活性監測和代謝監測（例如血糖）。熱電（TE）感測器可在寬溫度範圍內工作，為健康和環境監測提供了一種替代方案。

其他感測器

磁感測器透過檢測磁性微米/奈米顆粒引起的磁場變化來進行感測。磁阻式和磁性顆粒檢測生物感測器是其主要類型；懸臂梁式感測器，可以將磁、應力、電、熱、化學、質量、流動等多種訊號轉換為可檢測的機械偏轉。

生物感測器系統的電子與訊號處理

生物感測器的電子與訊號處理系統是將感測器產生的原始類比訊號轉換為可理解的數位資訊，並進一步提取有用情報。近年來，其發展與消費電子應用密切相關，便是朝更小、更智能、更互聯，並且越來越依賴複雜的軟體（特別是AI）從原始感測器數據中取得價值。

小型化與整合

將電子元件（訊號放大器、處理器、顯示器）與感測器整合，是實現小型化和高效能的關鍵，例如在基於CMOS的微感測器系統中，CMOS整合電路對於開發小型化、自主化、高靈敏度的電化學生物感測器很具優勢，例如用於微生物監測的感測器。

另外，晶片實驗室（Lab-on-a-Chip, LoC）系統則通過微流控技術（Microfluidics）將多個實驗室功能整合到單個晶片上，進而提高了分析效率和可攜性。這些小型化和整合的趨勢，與微處理器和行動設備的發展，也顯示物感測器將越來越便於攜帶和易於整合到各種應用場景中。

訊號放大、降噪與數據保真

生物感測器的電子電路通常包含訊號調節單元、處理器或微控制器，複雜的電子電路執行訊號調節任務，如訊號放，以及類比與數位的轉換。感測器的可重複性（精密度和準確度）取決於感測器和電子元件的性能，因此對抗環境干擾的穩定性也是重要的一環。

無線技術

無線傳輸技也能提升生物感測器的檢測能力，並促進其與數位健康平台的整合。例如，無線腦電圖數據採集系統（weDAQ），可用於佩戴式腦電圖監測，其採用標準印刷電路板（PCB）電極，以提供更大的檢測靈活性。另外，無線供電的智慧繃帶也被引入慢性傷口護理領域，將生物感測器與IoT系統整合，可實現即時遠程患者監護。

圖一 : 無線傳輸技也能提升生物感測器的檢測能力，並促進其與數位健康平台的整合。

人工智慧

隨著生物感測器數據的日益複雜，人工智慧的導入也變得更為重要，因為AI能夠處理和分析生物感測器產生的大量數據，識別模式並高精度地分類數據。AI將原始生物感測器數據轉換為可操作的見解，以便及早識別健康問題。下一代生物感測器正在整合AI技術，以實現更專業化、更即時和更可靠的辨識分析。

結語

生物感測器技術正處於一個快速發展時代，從核元件的精進到整體系統架構的創新，再到與尖端技術的融合，生物感測器在靈敏度、選擇性、響應速度、小型化、多工檢測和可穿戴性等方面都有了顯著突破。這些進展的背後，是材料科學、微製造技術、生物工程、電子工程以及資訊科學（尤其是AI和物聯網）等多個學科領域的協同努力。

整體而言，生物感測器技術的前景樂觀，其發展也將深刻影響個人化醫療、環境保護、食品安全和公共衛生等多個方面，並帶來更健康、更安全、更智慧的社會環境。