Biosensor คืออะไร: หลักการทำงาน ประเภท การประเมินประสิทธิภาพ และเทคโนโลยีปัจจุบัน

เครื่องตรวจน้ำตาลปลายนิ้ว แผ่นตรวจวัดกลูโคสที่ติดอยู่บนแขน และอุปกรณ์ตรวจสารชีวโมเลกุลขนาดเล็ก มีแนวคิดร่วมกันคือการเปลี่ยนปฏิกิริยาหรือการจับกันของสารชีวภาพให้เป็นสัญญาณที่อ่านได้ เทคโนโลยีนี้เรียกว่า ไบโอเซนเซอร์ (biosensor) แต่การสร้างอุปกรณ์ให้ตรวจพบสารได้ ไม่ได้หมายความว่าอุปกรณ์นั้นพร้อมใช้วินิจฉัยโรคทันที ยังต้องพิสูจน์ว่าผลตรวจเชื่อถือได้ในตัวอย่างและสภาพการใช้งานจริง

ความหมายของไบโอเซนเซอร์

IUPAC อธิบายไบโอเซนเซอร์ว่าเป็นอุปกรณ์ที่ใช้ปฏิกิริยาชีวเคมีที่จำเพาะ ซึ่งอาศัยองค์ประกอบอย่างเอนไซม์ ระบบภูมิคุ้มกัน เนื้อเยื่อ หรือเซลล์ เพื่อตรวจสารเคมีผ่านสัญญาณ เช่น สัญญาณไฟฟ้า แสง หรือความร้อน [1] ในทางวิศวกรรม ส่วนสำคัญคือการเชื่อม ส่วนรู้จำทางชีวภาพ เข้ากับ ส่วนแปลงสัญญาณ เพื่อให้ปฏิสัมพันธ์กับสารเป้าหมายกลายเป็นผลการตรวจวัด [2, 3]

สารที่ต้องการวัดเรียกว่า สารเป้าหมายหรือสารวิเคราะห์ (analyte) อาจเป็นกลูโคส โปรตีน ยา สารพิษ หรือกรดนิวคลีอิกของเชื้อโรค ส่วนตัวอย่างที่นำมาตรวจอาจเป็นเลือด ของเหลวระหว่างเซลล์ เหงื่อ น้ำ หรืออาหาร การเลือกตัวอย่างจึงเป็นส่วนหนึ่งของการออกแบบระบบ ไม่ใช่เพียงภาชนะที่ใส่สารเป้าหมาย

คำว่า biosensor ไม่ควรใช้แทนเซนเซอร์ทุกชนิดที่วัดร่างกาย ตัวตรวจอุณหภูมิ ขั้ววัด ECG หรือเซนเซอร์แสงสำหรับวัดชีพจร เป็นเซนเซอร์ทางชีวการแพทย์ได้ แต่หากไม่มีองค์ประกอบรู้จำทางชีวภาพ ก็ไม่ใช่ไบโอเซนเซอร์ตามนิยามด้านการวิเคราะห์สารที่ใช้ในบทความนี้ เช่นเดียวกับขั้วตรวจ pH หรือไอออนที่ไม่ได้เชื่อมกับส่วนรู้จำทางชีวภาพ [1, 2, 3]

องค์ประกอบและลำดับการทำงาน

ส่วนรู้จำทางชีวภาพ (biorecognition element) ทำหน้าที่ตอบสนองต่อสารเป้าหมาย อาจเร่งปฏิกิริยา เช่น เอนไซม์ หรือจับกับสารเป้าหมาย เช่น แอนติบอดีและกรดนิวคลีอิก โดยส่วนรู้จำมักถูกตรึงไว้บนหรือใกล้ผิวตรวจวัด การตรึงต้องคงกิจกรรมหรือความสามารถในการจับของสารรู้จำไว้ด้วย [2, 3]

ส่วนแปลงสัญญาณ (transducer) ตรวจการเปลี่ยนแปลงที่เกิดจากปฏิสัมพันธ์นั้น แล้วแปลงเป็นสัญญาณที่วัดได้ เช่น กระแสไฟฟ้าจากปฏิกิริยารีดอกซ์ ความเข้มแสงจากสารเรืองแสง หรือการเปลี่ยนความถี่ของตัวสั่นเมื่อมีมวลมาเกาะ ส่วนแปลงสัญญาณไม่ได้รับประกันความจำเพาะด้วยตัวเอง ต้องทำงานร่วมกับสารรู้จำและเงื่อนไขการตรวจที่เหมาะสม [2, 13, 14]

ระบบอ่านและประมวลผล อาจประกอบด้วยวงจรขยายสัญญาณ วงจรแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัล ซอฟต์แวร์ และส่วนแสดงผล สำหรับการวัดเชิงปริมาณ ต้องมีความสัมพันธ์ระหว่างสัญญาณกับค่าของสารเป้าหมายจากการสอบเทียบ ส่วนการตรวจเชิงคุณภาพต้องกำหนดเกณฑ์แปลผล เช่น บวก ลบ หรือแปลผลไม่ได้ [2, 5, 7]

ก่อนถึงขั้นอ่านสัญญาณ ระบบบางชนิดต้องกรอง แยก เจือจาง หรือเตรียมตัวอย่างเพิ่มเติม จึงควรแยก “ตัวเซนเซอร์” ออกจาก “ระบบตรวจวิเคราะห์ทั้งหมด” และไม่ถือว่าเวลาตอบสนองของขั้วตรวจวัดเท่ากับเวลาที่ผู้ใช้รอผลตั้งแต่เริ่มเก็บตัวอย่าง [2]

จำแนกตามส่วนรู้จำและวิธีอ่านสัญญาณ

ไบโอเซนเซอร์หนึ่งชนิดอธิบายได้อย่างน้อยสองมิติ คือ ใช้อะไรรู้จำเป้าหมาย และ ใช้วิธีใดแปลงเป็นสัญญาณ การแยกสองมิตินี้ช่วยให้เข้าใจว่าอุปกรณ์ที่ตรวจสารเดียวกันอาจมีหลักการอ่านผลต่างกันมาก [2, 3]

ตัวอย่างส่วนแปลงสัญญาณ ได้แก่ ไฟฟ้าเคมี ซึ่งวัดกระแส ศักย์ หรืออิมพีแดนซ์; แสง ซึ่งวัดสี ฟลูออเรสเซนซ์ หรือการเปลี่ยนแปลงที่ผิว เช่น surface plasmon resonance (SPR); มวลและกลศาสตร์ ซึ่งวัดความถี่หรือการโก่งตัว; และ ความร้อน ซึ่งวัดความร้อนจากปฏิกิริยา แต่ละแบบมีข้อจำกัดเรื่องสัญญาณพื้นหลัง ขนาดอุปกรณ์ และการควบคุมสภาพการวัดต่างกัน [2, 13, 14]

วัสดุนาโน เช่น อนุภาคทองหรือวัสดุคาร์บอน อาจช่วยปรับผิวตรวจวัดหรือการถ่ายโอนสัญญาณ แต่การใส่วัสดุนาโนเพียงอย่างเดียวไม่ได้ทำให้เซนเซอร์กลายเป็นไบโอเซนเซอร์ ยังต้องระบุส่วนรู้จำและกลไกตรวจเป้าหมายให้ชัดเจน [1, 2, 3]

ตัวอย่างกลไก: ไบโอเซนเซอร์ตรวจกลูโคส

ตัวอย่างพื้นฐานคือการใช้เอนไซม์ glucose oxidase (GOx) ช่วยให้กลูโคสทำปฏิกิริยากับออกซิเจน เกิด D-glucono-1,5-lactone (หรือ D-glucono-δ-lactone) และไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (H₂O₂) [16] จากนั้นตรวจ H₂O₂ ด้วยขั้วไฟฟ้า แล้วใช้การสอบเทียบเชื่อมสัญญาณกระแสกับความเข้มข้นของกลูโคส งานวิจัยขั้วเอนไซม์แสดงกลไกนี้โดยตรึง GOx ไว้บนเมมเบรนร่วมกับขั้วแพลทินัม [8]

สมการของเอนไซม์ตาม IUBMB คือ β-D-glucose + O₂ → D-glucono-1,5-lactone + H₂O₂ [16] ส่วนรูปที่ 3 ใช้ชื่อ Glucose และ Gluconolactone แบบย่อ การอ่านสัญญาณในตัวอย่างนี้เป็นการตรวจปฏิกิริยาออกซิเดชันของ H₂O₂ ที่ขั้วไฟฟ้า ไม่ใช่การนำโมเลกุลกลูโคสมานับโดยตรง [8]

กลไกนี้เป็นตัวอย่างหนึ่ง ไม่ใช่คำอธิบายเครื่องตรวจกลูโคสทุกรุ่น อุปกรณ์อาจใช้เอนไซม์หรือวิธีถ่ายโอนอิเล็กตรอนต่างกัน การออกแบบเมมเบรนและผิวขั้วตรวจวัดมีผลต่อการแพร่ของสารและสัญญาณจากสารรบกวน จึงต้องประเมินทั้งระบบ ไม่ใช่ดูเฉพาะความสามารถของเอนไซม์ [2, 8]

สำหรับ continuous glucose monitor (CGM) ส่วนตรวจวัดของระบบที่ใช้กันทั่วไปอยู่ใต้ผิวหนังและตรวจกลูโคสในของเหลวระหว่างเซลล์ (interstitial fluid) เพื่อประมาณระดับกลูโคส ไม่ได้ดูดเลือดมาตรวจโดยตรง ค่าจึงอาจแตกต่างจากผลเลือดในขณะเดียวกัน โดยเฉพาะเมื่อกลูโคสเปลี่ยนอย่างรวดเร็ว การใช้งานและการตรวจยืนยันต้องอิงคำแนะนำของอุปกรณ์แต่ละรุ่น [11, 15]

ประสิทธิภาพของไบโอเซนเซอร์ต้องดูอะไรบ้าง

คำว่า “ไวมาก” หรือ “แม่นยำสูง” ต้องมีตัวชี้วัดและเงื่อนไขประกอบ IUPAC และแนวทาง Eurachem เน้นให้พิจารณาสมรรถนะให้เหมาะกับงานที่ตั้งใจใช้ ไม่ใช่จัดอันดับอุปกรณ์จากขีดจำกัดการตรวจวัดเพียงค่าเดียว [2, 5, 6]

ถ้ากราฟสอบเทียบในช่วงที่สนใจเขียนได้เป็น S = mC + b โดย S คือสัญญาณ C คือความเข้มข้น m คือความชัน และ b คือค่าตัดแกน ความชัน m ใช้อธิบายความไวในช่วงนั้นได้ แต่ความไวสูงไม่รับประกัน LOD ต่ำ เพราะระดับและความแปรปรวนของสัญญาณพื้นหลังก็มีผล [4, 5, 6]

สำหรับการวินิจฉัยแบบบวก/ลบ ความไวทางการวินิจฉัย หมายถึงสัดส่วนผู้ที่มีภาวะเป้าหมายแล้วตรวจได้ผลบวก ส่วน ความจำเพาะทางการวินิจฉัย คือสัดส่วนผู้ที่ไม่มีภาวะเป้าหมายแล้วตรวจได้ผลลบ ทั้งสองอย่างต่างจากความชันของกราฟสอบเทียบ และต้องประเมินเทียบกับมาตรฐานอ้างอิงที่เหมาะสม พร้อมรายงานความไม่แน่นอน เช่น ช่วงความเชื่อมั่น [7] หากเปรียบเทียบกับอีกวิธีที่ไม่ได้เป็นมาตรฐานอ้างอิง ควรรายงานความสอดคล้องของผลตรวจ ไม่เรียกค่านั้นว่าความไวหรือความจำเพาะทางการวินิจฉัยโดยอัตโนมัติ

จากการตรวจในสารละลายสู่การใช้งานจริง

ผลในบัฟเฟอร์อาจยังไม่สะท้อนผลในเลือด เหงื่อ หรืออาหาร เพราะส่วนประกอบของตัวอย่างอาจเปลี่ยนสัญญาณหรือรบกวนปฏิกิริยา การประเมินจึงต้องครอบคลุมชนิดตัวอย่าง การเก็บและเตรียมตัวอย่าง ช่วงความเข้มข้นจริง และสภาวะใช้งาน [5]

แผนตรวจสอบที่เหมาะสมควรกำหนดวัตถุประสงค์และเกณฑ์ยอมรับไว้ก่อน แล้วทดสอบสารมาตรฐาน ตัวอย่างควบคุมและตัวอย่างจริง วัดซ้ำต่างวันและต่างชุดการผลิต ตรวจสารรบกวน ความคงตัว และเปรียบเทียบกับวิธีอ้างอิง การพบว่าสองวิธีมีค่าสหสัมพันธ์สูงยังไม่เพียงพอที่จะสรุปว่าวัดแทนกันได้ เพราะอาจมีความเอนเอียงอย่างเป็นระบบ [5, 6, 7]

หากต้องการอ้างการใช้งานทางคลินิก ต้องศึกษากับประชากรที่สอดคล้องกับข้อบ่งใช้ และทดสอบวิธีอ่านผลของผู้ใช้จริง หลักฐานประสิทธิภาพกับสถานะการอนุญาตเป็นคนละเรื่อง จึงต้องตรวจสถานะอุปกรณ์และข้อบ่งใช้ในประเทศที่จะนำไปใช้ด้วย ตัวอย่างเช่น ในสหรัฐฯ สามารถตรวจรายการชุดตรวจนอกกายที่ FDA cleared หรือ approved และข้อมูลการตัดสินได้จากฐานข้อมูล IVD ของ FDA [17]

เทคโนโลยีปัจจุบัน: อะไรใช้จริงแล้ว อะไรยังเป็นงานวิจัย

CGM: ตัวอย่างที่เข้าสู่การใช้งานทางการแพทย์แล้ว

CGM เป็นตัวอย่างของการนำการตรวจสารชีวเคมีมาใช้ติดตามแนวโน้มอย่างต่อเนื่อง ในสหรัฐอเมริกา FDA อนุญาตให้ทำตลาด Stelo ในฐานะ CGM แบบซื้อได้โดยไม่ต้องมีใบสั่งแพทย์ครั้งแรกเมื่อเดือนมีนาคม 2024 และประกาศขยายข้อบ่งใช้ในเดือนมิถุนายน 2026 สำหรับผู้มีอายุ 2 ปีขึ้นไปที่ไม่ใช้อินซูลิน [12] สำหรับเด็กต้องใช้ภายใต้การดูแลของผู้ใหญ่ ระบบนี้มีข้อจำกัดเฉพาะ เช่น ไม่ได้ออกแบบมาแจ้งเตือนภาวะน้ำตาลต่ำที่เป็นปัญหา และไม่ใช่สำหรับผู้ฟอกไต การอนุญาตดังกล่าวเป็นสถานะในสหรัฐฯ ไม่ใช่หลักฐานการอนุญาตในไทย

ฮอร์โมนในเหงื่อ: การตรวจหลายปัจจัยพร้อมกัน

Ye และคณะรายงานอุปกรณ์สวมใส่ที่ใช้ aptamer ตรวจเอสตราไดออลในเหงื่อ โดยรวมการกระตุ้นเหงื่อ ไมโครฟลูอิดิกส์ และการชดเชยข้อมูลอุณหภูมิ pH และความแรงไอออน งานตีพิมพ์ออนไลน์ในปี 2023 และอยู่ในฉบับวารสารปี 2024 รายงาน LOD 0.14 pM และทดสอบในผู้เข้าร่วมวิจัย [9] อย่างไรก็ตาม LOD ดังกล่าวเป็นสมรรถนะที่รายงานภายใต้เงื่อนไขงานวิจัย ไม่ใช่ความแม่นยำของการวินิจฉัย และความสัมพันธ์ระหว่างเหงื่อกับเลือดยังไม่พิสูจน์ว่าใช้แทนการตรวจฮอร์โมนในเลือดได้ในทุกบริบท

ระดับยาในร่างกาย: หลักฐานทดลองนำร่องในคนปี 2026

Booth และคณะรายงานการทดลองนำร่องแผ่นตรวจวัดแบบไฟฟ้าเคมีที่ใช้ aptamer บนเข็มขนาดเล็ก ในอาสาสมัครสุขภาพดี 6 คน เพื่อติดตาม vancomycin ในของเหลวระหว่างเซลล์ใต้ผิวหนังทุก 5 นาที เป็นเวลา 24 ชั่วโมง แต่ผู้วิจัยเน้นข้อมูล 12 ชั่วโมงแรกเพราะเซนเซอร์เสื่อมลง [10] งานนี้แสดงความเป็นไปได้ของการติดตามยาที่ถี่กว่าการเจาะเลือดเป็นครั้ง ๆ แต่ยังต้องทดสอบเพิ่มและพัฒนาการส่งข้อมูลไร้สาย จึงยังไม่ใช่หลักฐานให้ใช้ปรับขนาดยาแทนวิธีมาตรฐานในผู้ป่วยทั่วไป

ทิศทางสำคัญจึงไม่ใช่เพียงการลดขนาดหรือทำให้ตรวจพบสารได้น้อยลง แต่รวมถึงการจัดการตัวอย่าง การรักษาสัญญาณให้คงตัว การสอบเทียบ และการพิสูจน์ว่าค่าที่อ่านได้มีความหมายต่อการตัดสินใจจริง [5, 9, 10]

ไบโอเซนเซอร์เกี่ยวข้องกับงานใดบ้าง

ในทางการแพทย์ ไบโอเซนเซอร์ใช้ตรวจสารชีวเคมีและพัฒนาอุปกรณ์ติดตามผู้ป่วย ในงานอาหารและสิ่งแวดล้อม สามารถออกแบบส่วนรู้จำให้ตอบสนองต่อสารปนเปื้อนหรือผลกระทบทางชีวภาพได้ ส่วนงานวิจัยใช้ติดตามปฏิกิริยาและปฏิสัมพันธ์ของชีวโมเลกุล [1, 2, 3] แต่ต้องพิจารณาความพร้อมเป็นรายระบบ ไม่ควรตีความว่าทุกเป้าหมายที่ตรวจได้ในห้องปฏิบัติการมีอุปกรณ์พร้อมใช้แล้ว

เมื่ออ่านงานวิจัยไบโอเซนเซอร์ คำถามที่ช่วยประเมินได้คือ ตรวจอะไร ใช้ส่วนรู้จำใด วัดสัญญาณอย่างไร ทดสอบในตัวอย่างชนิดใด และตรวจสอบผลกับอะไร จากนั้นจึงพิจารณาว่าขีดจำกัดการตรวจวัด ช่วงใช้งาน ความคงตัว และหลักฐานในผู้ใช้จริง เหมาะกับปัญหาที่อุปกรณ์ตั้งใจแก้หรือไม่

เอกสารอ้างอิง

1. IUPAC Gold Book. Biosensor. DOI: 10.1351/goldbook.B00663.
2. Thévenot DR, Toth K, Durst RA, Wilson GS. Electrochemical biosensors: recommended definitions and classification. Biosensors and Bioelectronics. 2001;16(1–2):121–131. DOI · PubMed.
3. IUPAC Gold Book. Biological recognition element และ Electrochemical biosensor. อ้างอิงข้อเสนอแนะคำศัพท์ด้าน bioanalytical methods (2018) และ electrochemical methods (2019).
4. IUPAC Gold Book. Sensitivity of a measuring system. DOI: 10.1351/goldbook.08124.
5. Cantwell H, editor. The Fitness for Purpose of Analytical Methods: A Laboratory Guide to Method Validation and Related Topics. Eurachem; 3rd edition, 2025.
6. IUPAC Gold Book. Performance characteristic of a measurement procedure. DOI: 10.1351/goldbook.08094.
7. U.S. FDA. Statistical Guidance on Reporting Results from Studies Evaluating Diagnostic Tests. 2007.
8. Santoni T, Santianni D, Manzoni A, Zanardi S, Mascini M. Enzyme electrode for glucose determination in whole blood. Talanta. 1997;44(9):1573–1580. DOI · PubMed.
9. Ye C, Wang M, Min J, et al. A wearable aptamer nanobiosensor for non-invasive female hormone monitoring. Nature Nanotechnology. 2024;19:330–337. เผยแพร่ออนไลน์ 28 September 2023. DOI: 10.1038/s41565-023-01513-0.
10. Booth MA, Erdal MK, Larson M, et al. Pilot phase clinical trial of a wearable, electrochemical aptamer-based patch for continuous drug concentration measurement. Nature Biotechnology. เผยแพร่ออนไลน์ 4 February 2026. DOI: 10.1038/s41587-026-03010-w.
11. NIDDK, NIH. Continuous Glucose Monitoring.
12. U.S. FDA. FDA Clears First Over-the-Counter Continuous Glucose Monitor for Children. 12 June 2026.
13. Hulanicki A, Glab S, Ingman F. Chemical sensors: definitions and classification. Pure and Applied Chemistry. 1991;63(9):1247–1250. DOI: 10.1351/pac199163091247.
14. IUPAC Gold Book. Surface plasmon resonance และ Surface plasmon resonance assay.
15. Dexcom. What should I do if my glucose readings seem inaccurate?
16. NC-IUBMB. Enzyme Nomenclature: EC 1.1.3.4, glucose oxidase.
17. U.S. FDA. Find All FDA-Approved Home and Lab Tests.

กลับไปสารบัญบทความ ↑