生物传感器在未来生物战场的应用

生物传感器在未来生物战场的应用

徐军1，凌磊1

1. 贵州航天计量测试技术研究所，贵阳  550000

摘要：近年来，随着生物技术和集成电路等交叉学科的发展，生物传感器应运而生。生物传感器以其微型化、低成本、低功耗、高灵敏度和易于集成等优势，在生化环境监测、生物战剂侦测等军事生化侦测领域展示了广阔的应用前景。本文系统梳理了生物传感器技术的发展历程和关键技术特征，深入探讨了其在未来生物战场移动检测平台上的应用前景，并展望了生物传感器的发展方向，为该领域生化侦测技术的发展提供科学建议。

关键词：生物传感器；移动检测平台；生物战剂检测；发展建议

1. 引言

现代战争向无人化和智能化方向发展已经成为趋势，从“钢铁”到“硅片”的转变凸显了战场信息化和智能化的威力[1][2]。掌握战场信息已成为双方较量的核心领域，信息化和智能化战斗不仅仅局限于空天通讯和无人机蜂群，还包括生化领域的对抗。生物武器因其成本低、攻击面积大、危害性强和影响周期长等特点，成为国际恐怖袭击的主要手段。近年来，利用无人机蜂群和仿生飞行器投递生物战剂（如病毒和细菌）进行生化攻击已成为现实。因此开展生物战剂侦测已成为各国关注的重点领域。

1.1生物战争成为现实威胁

生物武器是一类以生物战剂杀伤有生力量和破坏植物生长的各种武器和器材的总称[3]。近年来，美国以各种名义在全球部署生物实验室达330余所，试图通过生物武器战略维系自身世界霸权的野心已昭然若揭。例如，美军德特里克堡实验室储存并研究埃博拉病毒、炭疽杆菌、布鲁氏菌等致命生物武器[4]。俄罗斯国防部通过从乌克兰生物实验室人员处获取的文件，揭露了“通过候鸟传播高致病性禽流感病毒”、“能够从蝙蝠传播给人类的细菌和病毒等病原体”等多个潜在生化武器研究项目。因此，生物战争已经成为了一种实际的国与国之间的战争威胁。有必须要对生物战争及其未来发展趋势做出清晰的认识，重视和维护我国的生物安全，防范和化解现在以及未来可能发生的生物战争。

1.2生物战场环境探测智能无人化成为发展趋势

针对战场生化环境的侦测问题，快速检测和早期预警是最有效的解决方案。近年来，国外重点开发了多个型号的综合性生物战剂检测平台，如固定式生物气溶胶报警系统和点源式生物源毒剂综合探测系统，实现了对生物气溶胶的连续监测和现场快速检测。然而，这些设备通常体积大、技术复杂、成本高，并且依赖人员操作，不仅增加了操作人员被污染和传染的风险，还降低了检测效率，难以适应未来生物战场的需求。因此，开发轻便、小型化、低功耗、高自动化的新型检测方式，并适配于无人侦测车（如图1所示），已成为新的趋势。

图1 美国角斗士多功能无人侦察车

生物传感器是近几十年来发展起来的新兴传感技术，具有高选择性、高灵敏度和高集成化等优点，可与无人侦测车结合，在生物战剂检测与环境监测领域具有广泛的应用前景。

2. 生物传感器技术

生物传感器可以根据换能器（信号转换器）进行分类[5]，分成生物电极传感器、电阻传感器、气敏传感器、压电晶体生物传感器等，下面做简要说明。

2.1胶体金免疫生物传感器

胶体金免疫层析法可用于禽腺病毒等传染病和生物战剂的快速检测[6]。其检测原理是通过还原金盐形成的颗粒悬液，在弱碱性条件下带负电荷，与蛋白质分子的正电荷基团牢固结合从而实现对生物目标的识别。具体过程是捕获抗体固定在层析材料上的特定区域，当层析材料的一端浸入被检样品溶液时，样品通过毛细管作用沿层析材料移动。当样品移动到固定有捕获抗体的区域时，抗原与抗体特异性结合，胶体金着色后证实待测物是否存在。目前，胶体金免疫层析法试纸条已实现商品化，具有成本低、性质稳定的优点，检测过程仅需3~10分钟。

2.2压电晶体生物传感器

压电晶体生物传感器的原理是利用压电石英晶体对表面质量变化的敏感性，并与生物分子的特异性结合，使晶体表面产生微小的压力变化，从而引起传感器振动频率的变化。近年来出现一种新型QCM生物传感器，它通过电化学方法在QCM表面沉积生物分子功能化的导电高分子材料，制备得到对链霉亲和素敏感的QCM传感器[7]。该传感器不仅对链霉亲和素的质量和电化学复合效应敏感，而且具有优异的抗干扰能力。

2.3磁生物传感器

磁生物传感器检测致病菌的基本原理是将生物信息转变成磁信息，再转变成电信息，如图2所示。首先，在磁珠上修饰致病菌的多抗，得到磁性标签；然后利用磁性标签与目标致病菌进行免疫反应，进而捕获目标致病菌，将生物信息转变成磁信息。接着在磁生物传感器芯片表面修饰致病菌的单抗，并与磁标记的致病菌进行免疫反应，实现磁信息到电信息的转变。磁生物传感器具有背景噪声低、灵敏度高、操作方便、成本低、容易集成等优点，可以制备尺寸非常微小的生物检测芯片，而且无需配套大型检测设备和培训专门的操作人员，非常适合战场环境下生物战剂的检测以及单兵携带。

图2 磁生物传感器检测示意图[8]

3. 生物传感器在移动侦测车上的应用

移动侦测车能够检测和鉴别战场环境中的病原微生物或毒素，对于有效、快速、安全地识别战场上的突发生物因素威胁具有重要意义。

当前，移动侦测车多为有人操作。例如，德国的M93/M93A1“狐狸”系统相当于P3级生物实验室水平，可以检测鼠疫、炭疽、霍乱和伤寒等传染病。俄罗斯研发的“猫头鹰”机动生化识别系统，可用于快速应对生化因素威胁。该系统可快速部署，目前可以检测多达25种传染病原体。

移动侦测车分类中的无人侦测车能目前还较为稀少。2019年，美国陆军联合现代化指挥部（JMC）展示了最新的无人核、生物、化学侦察车（NBCRV）概念，如图3所示。该装备旨在为士兵提供可视化的核生化探测和监视功能。这种车辆可以在一英里外远程操控，能够在复杂环境中检测、收集和分析化学、生物和放射性污染物质。

图3 核生化无人检测车

4. 总结与展望

搭载生物传感器的无人侦测车是未来重要的生物威胁检测工具。现存的关键问题在于战场环境下样本的获取难度，处理面临不同形态（气态、液态、固态）的取样、保存、过滤和分离的技术挑战，涉及机器人、无人操作和精密仪器等多个领域的工程突破。基于生物传感器的生化检测方法具有高灵敏度、快速响应、低样本需求、小型化、智能化和操作简便等优点。这些特性可以显著减轻移动生物侦测车的使用负担，同时降低操作人员在陌生环境中感染的风险。结合机器人技术、无人车和遥控技术，生物传感器有望在生物战场环境下进行智能化、无人化侦测，通过多种传感器模块将数据传回指挥中心，实现全面的战场环境监测。

未来，随着信息技术和交叉学科的进一步进展，生物传感器将向芯片化、阵列化和智能化方向发展。在微电子技术和新材料的推动下，高灵敏度的微型生物传感器将成为极小的集成芯片系统，具备多目标和高效率的检测能力。生物传感器与无人侦测车的结合将极大地提升战场生化侦测能力，使我军在生化战场上的风险识别和安全防护能力实现重大提升。

参考文献

[1] 周魁喜.浅谈无人车环境感知技术与发展趋势[J].科学与财富, 2018, 000(033):6.

[2] 李楠,李晗.军用地面无人平台现状及发展趋势研究[J].无人系统技术,2018,1(02):34-42.

[3] 朱建新. 生物战史[M]. 时事出版社, 2015.

[4] 汤璐. 美军生物武器研制史[J].当代海军, 2021(003):000.

[5] 万峰,吴雅静. 应用生物传感器检测食品中食源性致病菌的研究进展[J]. 食品工业科

技,2021,42(8): 346-353.

[6] 陈乐乐,王凯莉,刘成,等.血清4型禽腺病毒胶体金免疫层析检测方法的建立[J].动物医学进展, 2024, 45(01):7-11.

[7] 潘齐超,张瞳,张耀鹏,等.具有质量和电化学复合敏感效应的新型QCM生物传感器研究[J].压电与声光, 2022, 44(06):860-864.

[8] K. Wu, D. Tonini, S. Liang, R. Saha, V. K. Chugh, J. P. Wang. Giant Magnetoresistance Biosensors in Biomedical Applications. ACS Applied Materials & Interfaces, 2022, 14(8): 9945-9969.作者简介

第一作者  徐军，1982年8月出生，高级工程师，现任贵州航天计量测试技术研究所副所长，从事科研项目管理。