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第9章医疗应用的穿戴式、周围环境监测与用户使用的传感技术

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体和一种标记过的抗原来检测。当酶标记抗体加入到样本中时，检测抗原发生反

应，并且防止抗体在固相（凹槽的墙壁）上和抗原结合。样本中加入的抗原（液

相）和固相抗原竞相成为标记抗体。液相抗原浓度越高，两相之间的竞争越激烈。

未结合的抗原和抗体酶结合物在洗涤步骤中除去。一经加入酶底物，颜色的亮度和

样本中目标抗原浓度成反比（BIO-RAD，2013）。化学发光或荧光信号是确定抗

原浓度两种不同的光学方法，但由于检测器的成本，一般不适合家庭使用。直接

ELISA方法的变种包括间接ELISA、三明治ELISA（见图9⁃7）和竞争或抑制

ELISA。这种形式的传感器是高度灵敏的，典型的检测范围是0.01～0.1ng，线性

度约为99.7%（Jordan，2005）。

图9⁃7基于三明治ELISA方法的家用怀孕测试

9.6.2酶试纸

试纸或“浸棒”是家庭检测工具中一种很常见的方法，通常也使用于医院。

它们提供了对各种情况进行反映的一种快速和廉价的机制，可能是生物相关的或化

学相关的。尿糖棒，它最早出现在20世纪50年代，通常用于检测尿液中的葡萄

212智能传感器：医疗、健康和环境的关键应用

糖。尿糖棒包含两种酶，葡萄糖氧化酶和过氧化物酶，它被固定在纤维素垫上。这

个纤维素垫是固定在一个约5～10mm宽和70～80mm长的塑料条上的。将样本施

加到纤维素垫上，葡萄糖氧化酶催化葡萄糖和氧之间的反应，生成葡萄糖酸和过氧

化氢。反过来，过氧化物酶催化过氧化氢和指示色素之间的反应，产生可见的颜色

变化。这种颜色变化的亮度是和样品中葡萄糖的浓度成正比的。

9.6.3色谱湿法化学

色谱湿法化学试纸可以检测尿液和唾液样本中各种各样的分析物。它们是由一

种约5～10mm宽的用不同的化合物浸染过的塑料条组成的。被测样本中一种或多

种分析物进行的化学反应，通常引起颜色变化，这种颜色变化是和目标分析物的浓

度成比例的。例如，尿液样本中乙酰乙酸和丙酮形式的酮用于硝普钠的反应检测，

产生紫色，如图9⁃8所示（Chronolab，2009）。

图9⁃8使用浸棒检测尿液样本中的酮

9.6.4家庭检测市场

自我诊断家用检测工具的市场动荡不定、不断变化。不断引进新的测试，而其

他测试逐渐消失，由于其疗效和效用被科学界证明是无效的，或者随着科技发展变

得过时。市场继续以每年7%～8%左右的速度增长，2013年销售预计达到56.8亿

美元。目前收入主要以怀孕和胆固醇检测工具为主，约占85%～90%的销售份额，

但是，随着其他测试获得消费者的青睐，销售份额会随着时间的推移而改变

（Kelleher，2009）。表9⁃3列出了消费者目前在柜台或通过互联网可以购买到的家

庭检测工具。各种各样的检测工具还提供实验室进行的家庭抽样分析并将结果反馈

给消费者。这些测试不包括在表9⁃3中，因为它们不具备“传感”的能力。FDA

最近批准的第一种HIV家庭测试，在测试结果呈阳性时，缺乏合适的支持机构和

咨询而导致争议声越来越大。在不了解测试背景而产生的假阳性检测结果的情况

下，临床支持对于这些测试结果的判断都是有价值的。

第9章医疗应用的穿戴式、周围环境监测与用户使用的传感技术

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表9⁃3消费者家用健康试剂盒

分类类型症状或病因描述

真菌型酵母菌感染（念珠菌病）尿液pH值的变化

膀胱炎（膀胱）测量尿液中蛋白、亚硝酸盐或白血球

肾