Advanced Science：常凌乾團隊系統總結納米酶集成生物芯片的智能檢測系統研究進展

編輯丨王多魚

排版丨水成文

在疾病診斷、食品安全與環境監測等應用場景中，檢測系統需要在復雜基質干擾、樣本量受限與現場操作條件不穩定等條件下，實現可復現的信號放大、穩定讀出與定量判讀。納米酶可通過催化反應實現信號放大與多類型信號轉換，生物芯片平臺為微量樣本處理、多通道集成與便攜化讀出提供器件載體。隨著檢測任務從單指標走向多指標、從終點讀數走向連續監測，信號形態與數據維度進一步增加，經驗閾值與人工判讀在一致性、可遷移性與實時性方面存在約束。

因此，有必要從“材料與催化機制-智能化生物芯片-多場景應用”的完整鏈路出發，對納米酶與生物芯片的集成范式、信號轉換機制以及 AI 參與的智能化處理路徑進行系統梳理，形成可比較的研究框架與面向應用的技術路線。

近日，北京航空航天大學常凌乾、董再再及香港城市大學焦艷麗作為共同通訊作者（陳冬雨、鄭旺、張志輝、于沈平為共同第一作者），在Advanced Science期刊發表了題為：Nanozymes Integrated Biochips Toward Smart Detection System 的綜述論文。

該綜述圍繞納米酶催化放大、生物芯片信號呈現與AI信號處理三條主線，總結了納米酶-生物芯片系統用于智能檢測的研究進展，并討論面向應用落地的關鍵約束與后續方向。

納米酶-生物芯片系統及其在疾病診斷、食品檢測與環境監測中的代表性應用概覽

在“材料與催化機制”層面，該綜述對納米酶的酶樣活性譜系進行歸納，形成可用于對照分析的機制與反應路徑框架：包括以氧化還原酶樣納米酶為代表的 POD/CAT/GPx/SOD/HPO/OXD 等催化循環，以及水解酶樣納米酶的磷酸酶、核酸酶、糖苷酶、脂肪酶、蛋白酶等反應類型，并進一步覆蓋裂解酶、異構酶、連接酶等“其他酶學活性”的典型反應模式。該部分的組織方式為后續將“催化—界面—器件”進行匹配提供了機制層面的對照坐標。

在“芯片與信號轉換”層面，綜述以系統視角梳理納米酶-生物芯片中常見的信號響應模式與讀出通道，涵蓋電化學、比色、熒光與化學發光等路徑，并通過時間軸方式概括該領域從“材料驅動的單一反應體系”走向“芯片集成與智能平臺化”的演進脈絡，用于說明系統集成、可攜帶讀出與數據處理能力在不同階段的角色變化。

在“智能化處理”層面，該綜述總結了機器學習與深度學習在納米酶-生物芯片系統中的主要落點，包括復雜信號解碼、分類識別、多模態融合、以及與手機端/云端平臺結合的流程化推斷與結果輸出。該部分同時討論數據集構建、模型泛化與端側部署等實現環節對系統可用性的影響，為“器件輸出—算法模型—結果呈現”的閉環構建提供梳理框架。

在“應用場景”層面，該綜述圍繞三類代表性方向進行歸類與對照：疾病診斷、食品檢測與環境監測，對納米酶-生物芯片系統的實際部署進行對照式梳理：臨床診斷側重于面向即時檢測與連續監測的芯片化與便攜化實現；食品安全聚焦于對食源性病原體、真菌毒素、農藥殘留與營養成分等目標的現場篩查需求；環境監測則圍繞重金屬離子、酚類污染物與毒素等典型污染物的快速檢測任務展開。基于上述案例集合，文章進一步歸納“檢測對象—芯片形態—讀出通道—數據處理/智能判讀”之間的常見組合路徑，并指出面向實際應用仍需重點解決的共性問題，包括復雜樣本抗干擾、長期穩定性與批次一致性、以及端側推斷的泛化與部署約束。

展望：走向更智能、更集成的未來

盡管納米酶-生物芯片與 AI 的耦合已形成多類原型系統，但面向規模化部署仍存在若干關鍵約束，主要包括：納米酶材料的批次一致性與可標準化表征、芯片制造與界面固定化過程的穩定性與可制造性、以及端側推斷的算力/能耗限制與模型泛化能力。后續研究可圍繞上述約束推進三類路徑：

其一，在材料層面發展結構可控的納米酶體系并建立與催化性能相關的可量化指標與質控方法，以提升可重復性；

其二，在器件層面推動可擴展加工與模塊化集成，形成可復用的芯片結構與流程化操作接口，以降低跨平臺遷移成本；

其三，在算法層面采用與硬件條件匹配的輕量化模型與穩健推斷策略，結合數據集構建與跨場景驗證，提升端側部署的可靠性。通過“材料-器件-算法”協同優化，該方向有望逐步形成面向現場與臨床場景的可部署檢測系統形態，包括便攜讀出、連續監測與聯網管理等能力。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/advs.202519136