中心論題：
- 生物傳感器簡介。
- 生物傳感器在體育科學(xué)中的應(yīng)用。
- 生物傳感器在醫(yī)學(xué)和運動生理學(xué)中的應(yīng)用。
- 敏感材料固定化可反復(fù)多次使用。
- 通過生理生化指標的分析測試定量評價運動員的身體狀況。
- 生物傳感器能準確監(jiān)測運動訓(xùn)練過程中各種指標的瞬時變化。
- 表面等離子體諧振在生化指標的檢測方面得到了廣泛應(yīng)用。
準確適時的運動監(jiān)控是實現(xiàn)科學(xué)運動訓(xùn)練的重要前提。為了適應(yīng)競賽的體能要求，在運動訓(xùn)練中如何使運動負荷的強度和量接近或超過生理極限水平, 以及判斷運動員體能是否已經(jīng)恢復(fù)到可以進行下一輪訓(xùn)練而防止過度訓(xùn)練需要一些準確、客觀的指標和安全、靈敏、便利的監(jiān)控方法。進行機能評定的指標包括有生理,心理,及生化指標.對不同的運動項目所選取的關(guān)鍵而敏感指標通常是不一樣的。體育教育和體育科研都是為運動訓(xùn)練及全民健身服務(wù)，生物傳感器以其敏感性和準確性、易操作、價格便宜等特點將深受體育工作者的喜愛。
生物傳感器簡介
生物傳感器是利用生物活性物質(zhì)（即生物元件）做敏感器件，配以適當?shù)膿Q能器（即信號傳導(dǎo)器）所構(gòu)成的小型分析檢測工具。它能對樣品中的單一成分或混合成分進行分析和監(jiān)測，并產(chǎn)生成比例的數(shù)字或者電子信號。與傳統(tǒng)的檢驗方法相比，生物傳感器這種新的檢測手段具有如下優(yōu)點：一般不需要樣品預(yù)處理，樣品中的被測組分的分離和檢測同時完成，且測定時一般不需要加入其他試劑；由于它體積小，可以實現(xiàn)連續(xù)在線檢測，響應(yīng)快，樣品用量少，且由于敏感材料是固定化的，可以反復(fù)多次使用，傳感器連同測定儀的成本低于大型的分析儀器，便于推廣普及。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)保、食品工業(yè)、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
依生物元件所選材料的不同，其組成可以是酶、核酸（寡聚核苷酸）、免疫物質(zhì)（抗體，抗原，酶標抗原等）、全細胞（包括細菌，真菌，動物，植物的細胞）、組織（動物、植物細胞的組織切片）、細胞器（線粒體，葉綠體）以及具有生物親合能力的物質(zhì)（配體，受體等）或它們的不同組合，近年來還引入了高分子聚合物模擬酶。換能器的作用是將
各種生物的、化學(xué)的和物理的信息轉(zhuǎn)變成電信號。
生物傳感器的類型和命名方法較多且不統(tǒng)一，生物傳感器一般可以從以下3個角度來進行分類：根據(jù)傳感器輸出信號的產(chǎn)生方式可以分為生物親和型生物傳感器、代謝型生物傳感器和催化型生物傳感器；根據(jù)生物傳感器中生物分子識別元件上的敏感物質(zhì)可分為酶生物傳感器、微生物傳感器、組織傳感器、免疫傳感器、基因傳感器等；根據(jù)換能器不同可分為電化學(xué)生物傳感器，光生物傳感器，熱生物傳感器，電導(dǎo)/電阻生物傳感器，聲波生物傳感器，微懸臂梁生物傳感器等。根據(jù)生物傳感器的特性還可以分為微型生物傳感器、納米生物傳感器，這種傳感器在活體測定方面有重要意義。
生物傳感器在體育科學(xué)中的應(yīng)用
a 運動訓(xùn)練中的科學(xué)監(jiān)測
目前關(guān)于運動員身體機能狀態(tài)監(jiān)控的方法大致分為三類[2]：一是通過教練員觀察或運動員自身的主觀評價，如自我感覺運動強度表（RPE）。二是通過運動負荷實驗，根據(jù)運動員身體機能的變化評價機能狀態(tài)。三是通過對血液,尿液,汗液等生理生化指標的分析測試，定量評價運動員的身體狀況，如一般根據(jù)血乳酸、尿蛋白等指標的變化來測定運動強度，根據(jù)血糖、血脂肪酸、血氨等指標的變化掌握能源物質(zhì)利用情況，通過血尿素、血睪酮、血清肌酸激酶活性等指標的變化來判斷機體對訓(xùn)練負荷的適應(yīng)程度，通過免疫學(xué)指標如淋巴細胞亞群CD4/CD8，血清免疫蛋白IGA、IGG、IGM和唾液Ig測定運動員的機能狀況。其中第三種方法準確、客觀、定量的反映運動員的身體機能狀態(tài)。但在不同的運動訓(xùn)練中這些指標的效應(yīng)不盡相同。傳統(tǒng)的、常規(guī)的監(jiān)測方法如血紅蛋白，血糖、血乳酸測定以及免疫指標的測定等操作復(fù)雜，儀器設(shè)備昂貴，通常只能在實驗室使用或特異性不高。研發(fā)靈敏性高,實用性強,操作便捷的監(jiān)測手段對運動訓(xùn)練科學(xué)化顯得尤為重要. 生物傳感器具有靈敏性高,特異性強,和操作簡單等特點, 既能準確監(jiān)測運動訓(xùn)練過程中各種指標的瞬時變化，也能進行連續(xù)的監(jiān)控。因此生物傳感器應(yīng)用于體育運動監(jiān)測具有廣闊的前景。
美國YSI公司于1975年推出第一個基于酶電極的葡萄糖測定儀，之后又推出一種外固定化酶型生物傳感器，利用它可以測定出運動員鍛煉后血液中存在的乳酸水平或糖尿病人的葡萄糖水平。我國山東省科學(xué)院生物研究所于1989年首次研研制成功的達到國際先進水平的生物傳感分析儀，列為1990年國家級新產(chǎn)品，已廣泛用于我國體育項目的科學(xué)訓(xùn)練中。但目前應(yīng)用于體育訓(xùn)練中的生物傳感器僅有乳酸和葡萄糖傳感器。血紅蛋白傳感器，血尿素氮傳感器等也將應(yīng)用于體育訓(xùn)練中。同時一些新型的傳感器，如組織、免疫傳感器，嗅覺和味覺生化傳感器，生物芯片等正在研究之中。隨著生物傳感器研制的進步和成功，在體育訓(xùn)練的科學(xué)監(jiān)控中將更多的應(yīng)用這一方便，靈敏以及特異性高，不需太多化學(xué)試劑的生物傳感器技術(shù)。
b生物傳感器在體育教學(xué)和科研中的應(yīng)用
隨著信息化時代的到來，新技術(shù)的不斷開發(fā)，新儀器、新設(shè)備的不斷投入使用，生物傳感器以其靈敏性強和特異性高，以及重復(fù)使用率高等特點不斷滲透到體育教學(xué)和科研中來。體育教學(xué)中，尤其是體育實驗教學(xué)過程中，如何簡單、便捷的完成教學(xué)任務(wù)，達到教學(xué)目的，安全、環(huán)保的完成實驗教學(xué)，已經(jīng)成了許多研究者的追求目標?，F(xiàn)在每完成一個實驗，尤其是運動生理學(xué)實驗，不僅需要昂貴的儀器，還要花費很多的耗材。這種易操作、價格便宜、易于批量生產(chǎn)、生產(chǎn)過程中進行質(zhì)量監(jiān)測的生物傳感器在這一領(lǐng)域存在很大的市場。
在體育科學(xué)研究過程中同樣追求新方法的研制，新技術(shù)的應(yīng)用以新產(chǎn)品的使用。體育科學(xué)研究的對象主要是人，如何揭示人體運動過程中的生理生化以及身體機能的變化，需要一種安全的，無創(chuàng)的，而準確的儀器來采集人身上的數(shù)據(jù)。
生物傳感器在醫(yī)學(xué)和運動生理學(xué)中的應(yīng)用
a普通生物傳感器的應(yīng)用
生物傳感器已在醫(yī)學(xué)，運動生理學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。可動態(tài)監(jiān)測人體血壓、血液酸堿度、血糖濃度；也可檢測酶活性、蛋白質(zhì)等生化指標；現(xiàn)在應(yīng)用醫(yī)用傳感器可以對人體的表面和內(nèi)部溫度、血壓及腔內(nèi)壓力、血液及呼吸流量、腫瘤、血液的分析、脈波及心音、心腦電波等進行高難度的診斷。在各種醫(yī)用電子學(xué)儀器中, 如常見的心電圖機、腦電圖機、肌電圖機、裝有CMOS 圖像傳感器的X 射線機、超聲波C T 裝置、X 線C T 機、P E T (正電子斷層攝影設(shè)備) 、電子血壓計、血液分析裝置、醫(yī)用體溫計等裝置中傳感器都起著主要作用。
1967年Updike和Hicks把葡萄糖氧化酶(GOD)固定化膜和氧電極組裝在一起，首先制成了第一種生物傳感器，即葡萄糖酶電極，如今葡萄糖酶傳感器現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于血液里葡萄糖的檢測中[3]。乳酸是肌肉連續(xù)運動的代謝產(chǎn)物，研究基礎(chǔ)代謝和運動生理時都需要進行乳酸測定。乳酸測定儀[4]是迄今最成功的商品酶傳感器之一。Detry等[5]在對乳酸傳感器方法的評價時指出，光度計測定法操作速度過慢，即使在正常情況下，也將在收集血液30min后才能有結(jié)果。而他們所用的兩種傳感器能在不到1分鐘，僅僅10ul生物液體中就能測量乳酸濃度，而且兩種傳感器的結(jié)果滿意。Lillst等人[6]也研制了一種有硅制成的電流傳感器，用不到40s的時間就能成功的監(jiān)測10mM 的乳酸。但有實驗表明[7]用皮下或皮間的微透析法連續(xù)監(jiān)測人體運動過程中乳酸濃度是不行的，除非把探針放置于血管內(nèi)。我國學(xué)者周愛玉等[8]研制出一種基于干法光學(xué)反射原理，以AD?滋C924微轉(zhuǎn)換器為控制核心，以超高亮度LED和光敏電阻為主要光電器件的便攜式血紅蛋白檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)將在Hb現(xiàn)場快速檢測和血液篩查中有廣泛的應(yīng)用前景。當然利用生物傳感器在體監(jiān)測和連續(xù)監(jiān)測運動過程中的乳酸濃度技術(shù)還需進一步改進和完善。1995 年推出了新機種SBA-50，它的自動化程度列高，不僅可以測定乳酸，而且可以通過更換酶膜，測定葡萄糖等其它底物及有關(guān)的酶.2004年SBA-70血糖、乳酸自動分析儀研制成功[9]，儀器在1min內(nèi)能自動完成采樣、分析、清洗等全部操作，分析的重復(fù)性很好，誤差小于2%。
另外，表面等離子體諧振（SPA）在生化指標的檢測方面得到了廣泛應(yīng)用。SPR傳感器能夠準確、靈敏、快速、簡便地檢測多種生化指標，并實時監(jiān)測生物大分子間的相互作用及影響因素的作用環(huán)節(jié)用其測定糖尿病腎病患者尿樣中的蛋白含量，靈敏度和精確度比現(xiàn)行臨床方法都有很大提高[10]。還有人研制了[11]一種基于叉指陣列（IDA）薄膜電極的血液分析型醫(yī)用多參量測量的生物傳感器。工作區(qū)中的微電極上分別固定上不同的酶，能過檢測“發(fā)生收集”模式下的IDA微電極上生化所產(chǎn)生的微電流分別測試血液中血糖，膽固醇，酮體和乳酸濃度。Sergei 等將光纖去掉包層后鍍上金膜,通過自組裝技術(shù)將肌紅蛋白和肌鈣蛋白抗體連接到羥甲基化葡聚糖層,用這種方法制成光纖SPR 傳感器檢測肌紅蛋白,其檢測限達到209μg/ L ,肌鈣蛋白檢測限達到1.4 μg/ L 。
生物傳感器已在醫(yī)學(xué)和運動生理學(xué)領(lǐng)域得到很大的應(yīng)用，不久的將來，這些傳感器將不斷滲透進體育活動的科學(xué)訓(xùn)練中來，為科學(xué)訓(xùn)練提供更加靈敏的監(jiān)測方法和手段。
b生物芯片
生物芯片包括基因芯片、蛋白質(zhì)芯片、細胞芯片、組織芯片及元件型微陣列芯片等新型生物芯片。它是是近年開發(fā)的一種高通量DNA 分析技術(shù),在一張大約2cm2 的芯片上可以集中幾萬甚至10萬個基因或探針,進行一次實驗就可以得出過去要用數(shù)月才能得出的結(jié)果[12]。由于眾多探針在一次反應(yīng)體系中反應(yīng),還去除了不必要的系統(tǒng)誤差,數(shù)據(jù)的均一性得到了保證。生物芯片表面點陣中每一個點都可以視為一個傳感器的探頭（即轉(zhuǎn)換元件）。目前生物芯片已廣泛用于醫(yī)學(xué)監(jiān)床診斷、新藥開發(fā)、尋找新基因、DNA測序等。將來生物芯片不僅能應(yīng)用于運動員選材、興奮劑的監(jiān)控，還可用于運動訓(xùn)練的科學(xué)監(jiān)控。
生物傳感器在體育科學(xué)中應(yīng)用的展望
生物傳感器以其足夠的敏感性和準確性、易操作、價格便宜、易于批量生產(chǎn)、能夠進行在線在體監(jiān)測等優(yōu)點將會應(yīng)用到更廣泛的領(lǐng)域。雖然目前應(yīng)用于體育科學(xué)中的生物傳感器僅用于血糖、血乳酸、血紅蛋白、肌紅蛋白的檢測,但隨著生物傳感器的開發(fā)和發(fā)展,生物傳感器無論是在運動訓(xùn)練、體育教學(xué)、體育科研還是體育鍛煉過程中都將得到廣泛的使用。
