準(zhǔn)確適時(shí)的運(yùn)動(dòng)監(jiān)控是實(shí)現(xiàn)科學(xué)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的重要前提。為了適應(yīng)競賽的體能要求，在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中如何使運(yùn)動(dòng)負(fù)荷的強(qiáng)度和量接近或超過生理極限水平, 以及判斷運(yùn)動(dòng)員體能是否已經(jīng)恢復(fù)到可以進(jìn)行下一輪訓(xùn)練而防止過度訓(xùn)練需要一些準(zhǔn)確、客觀的指標(biāo)和安全、靈敏、便利的監(jiān)控方法。進(jìn)行機(jī)能評定的指標(biāo)包括有生理,心理,及生化指標(biāo).對不同的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目所選取的關(guān)鍵而敏感指標(biāo)通常是不一樣的。體育教育和體育科研都是為運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練及全民健身服務(wù)，生物傳感器以其敏感性和準(zhǔn)確性、易操作、價(jià)格便宜等特點(diǎn)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(dāng)?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(jìn)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(yàn)方法相比，生物傳感器這種新的檢測手段具有如下優(yōu)點(diǎn)：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(shí)完成，且測定時(shí)一般不需要加入其他試劑；由于它體積小，可以實(shí)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(biāo)抗原等）、全細(xì)胞（包括細(xì)菌，真菌，動(dòng)物，植物的細(xì)胞）、組織（動(dòng)物、植物細(xì)胞的組織切片）、細(xì)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(gè)角度來進(jìn)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(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中的科學(xué)監(jiān)測
目前關(guān)于運(yùn)動(dòng)員身體機(jī)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(yùn)動(dòng)員自身的主觀評價(jià)，如自我感覺運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度表（RPE）。二是通過運(yùn)動(dòng)負(fù)荷實(shí)驗(yàn)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)員身體機(jī)能的變化評價(jià)機(jī)能狀態(tài)。三是通過對血液,尿液,汗液等生理生化指標(biāo)的分析測試，定量評價(jià)運(yùn)動(dòng)員的身體狀況，如一般根據(jù)血乳酸、尿蛋白等指標(biāo)的變化來測定運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，根據(jù)血糖、血脂肪酸、血氨等指標(biāo)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(biāo)的變化來判斷機(jī)體對訓(xùn)練負(fù)荷的適應(yīng)程度，通過免疫學(xué)指標(biāo)如淋巴細(xì)胞亞群CD4/CD8，血清免疫蛋白IGA、IGG、IGM和唾液Ig測定運(yùn)動(dòng)員的機(jī)能狀況。其中第三種方法準(zhǔn)確、客觀、定量的反映運(yùn)動(dòng)員的身體機(jī)能狀態(tài)。但在不同的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中這些指標(biāo)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(biāo)的測定等操作復(fù)雜，儀器設(shè)備昂貴，通常只能在實(shí)驗(yàn)室使用或特異性不高。研發(fā)靈敏性高,實(shí)用性強(qiáng),操作便捷的監(jiān)測手段對運(yùn)動(dòng)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(qiáng),和操作簡單等特點(diǎn), 既能準(zhǔn)確監(jiān)測運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練過程中各種指標(biāo)的瞬時(shí)變化，也能進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)控。因此生物傳感器應(yīng)用于體育運(yùn)動(dòng)監(jiān)測具有廣闊的前景。
美國YSI公司于1975年推出第一個(gè)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(yùn)動(dòng)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(dá)到國際先進(jìn)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(xiàng)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(shí)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(jìn)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(shí)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(qiáng)和特異性高，以及重復(fù)使用率高等特點(diǎn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，如何簡單、便捷的完成教學(xué)任務(wù)，達(dá)到教學(xué)目的，安全、環(huán)保的完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)，已經(jīng)成了許多研究者的追求目標(biāo)。現(xiàn)在每完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)，尤其是運(yùn)動(dòng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)，不僅需要昂貴的儀器，還要花費(fèi)很多的耗材。這種易操作、價(jià)格便宜、易于批量生產(chǎn)、生產(chǎn)過程中進(jìn)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(yùn)動(dòng)過程中的生理生化以及身體機(jī)能的變化，需要一種安全的，無創(chuàng)的，而準(zhǔn)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)生理學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。可動(dòng)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(biāo)；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(jìn)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(jī)、腦電圖機(jī)、肌電圖機(jī)、裝有CMOS 圖像傳感器的X 射線機(jī)、超聲波C T 裝置、X 線C T 機(jī)、P E T (正電子斷層攝影設(shè)備) 、電子血壓計(jì)、血液分析裝置、醫(yī)用體溫計(jì)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(yùn)動(dòng)的代謝產(chǎn)物，研究基礎(chǔ)代謝和運(yùn)動(dòng)生理時(shí)都需要進(jìn)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(jià)時(shí)指出，光度計(jì)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(shí)間就能成功的監(jiān)測10mM 的乳酸。但有實(shí)驗(yàn)表明[7]用皮下或皮間的微透析法連續(xù)監(jiān)測人體運(yùn)動(dòng)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(dāng)然利用生物傳感器在體監(jiān)測和連續(xù)監(jiān)測運(yùn)動(dòng)過程中的乳酸濃度技術(shù)還需進(jìn)一步改進(jìn)和完善。1995 年推出了新機(jī)種SBA-50，它的自動(dòng)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(dòng)分析儀研制成功[9]，儀器在1min內(nèi)能自動(dòng)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(biāo)的檢測方面得到了廣泛應(yīng)用。SPR傳感器能夠準(zhǔn)確、靈敏、快速、簡便地檢測多種生化指標(biāo)，并實(shí)時(shí)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(dá)到209μg/ L ,肌鈣蛋白檢測限達(dá)到1.4 μg/ L 。
生物傳感器已在醫(yī)學(xué)和運(yùn)動(dòng)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(jìn)體育活動(dòng)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(xì)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(gè)基因或探針,進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)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(diǎn)陣中每一個(gè)點(diǎn)都可以視為一個(gè)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(yùn)動(dòng)員選材、興奮劑的監(jiān)控，還可用于運(yùn)動(dòng)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(zhǔn)確性、易操作、價(jià)格便宜、易于批量生產(chǎn)、能夠進(jìn)行在線在體監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)將會(huì)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(yùn)動(dòng)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。
