生物传感器(biosensor)，是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。它是由固定化的生物敏感材料作识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质)、适当的理化换能器（如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等）及信号放大装置构成的分析工具或系统。在医疗保健、食品安全、环境监测、安全、药剂学和法医学等许多重要领域都至关重要。例如，70% 的医疗决策都依赖于准确及时的医疗诊断结果，因此诊断技术是生物传感器市场的主导行业之一。

图 1：未来的生物传感器
图源：Nature Nanotechnology 17, 5–16 (2022).
光学生物传感器是一种利用生物分子受体与特定分析物相互作用的装置，该传感器将这种相互作用的光学信息转换为可测量的输出，或者通过直接利用分析物如拉曼光谱、红外吸收和手性等光学性质获得输出信号。

传统上，医院和生物学实验室获得诊断信息的途径包括标记免疫分析、聚合酶链反应、细胞培养和光学显微镜等等。尽管这些传统的医学诊断和分析方法在样本量大且无需立即响应的生物实验室中仍然很重要，但其在使用过程中已经暴露出了很多缺点和限制。

例如，标记免疫分析采用酶、荧光或化学发光标记来检测目标分析物。尽管标记免疫分析法敏感且可用于多种分析物，但它们需要昂贵且笨重的台式仪器，并且需要耗时的多步骤检测协议。这些劣势在一些标记的免疫冠状病毒疾病最为明显。

早期诊断对多种疾病至关重要（如传染病、癌症、心血管疾病、自身免疫性疾病和炎症性疾病），精确、易用且快速响应的生物传感器将会大大改变疾病预防和治疗的现状。同时，能够为患者提供分子级别探测的生物传感器可以为精确医疗铺平道路。低成本、易于使用的可穿戴生物传感器有望作为个人监测设备得到应用。

纳米光子器件控制亚波长体积的光并增强光与物质的相互作用，为生物传感开辟了令人兴奋的前景。许多纳米光子生物传感器已经出现，以解决当前生物分析方法在灵敏度、通量、易用性和小型化方面的局限性。

鉴于此，近日，医疗器械博览会中国展近日了解到瑞士洛桑联邦理工学院 Hatice Altug 教授、美国明尼苏达大学 Sang-Hyun Oh 教授、德国慕尼黑大学 Stefan A. Maier 教授和捷克科学院光电研究所 Jiří Homola 教授联合在 Nature Nanotechnology 上以“Advances and applications of nanophotonic biosensors”为题发表综述文章。

在这篇综述中，作者研究人员对基于倏逝场金属等离激元共振和介质米氏共振的无标签纳米光子生物传感器的近期发展进行了系统总结。不仅描述了不同检测传感方法的特点和优点，还讨论了它们进一步应用所面临的挑战以及未来潜力。

基于倏逝场的纳米光子生物传感器

基于倏逝场的光子生物传感器提供了一种方便快捷的生物传感方法，这种方法可以用光直接探测分析物，同时将光电元件从研究中的液体样品中分离出来。倏逝场的主要特征是，它沿着垂直于传感表面的轴呈指数衰减，衰减长度约为数百纳米。倏逝场的这种光场表面束缚是一个重要的特性，它增加了光与物质的相互作用，从而对测量提供了精确的空间控制。

基于等离子体纳米结构的亲和生物传感器

基于等离子体纳米结构的亲和生物传感器是基于金属纳米颗粒（NPs）上激发的局域表面等离子体（LSP）实现对折射率的探测。局域表面等离子体的衰减长度随金属纳米颗粒的大小而增加，通常为~5–25 nm。等离子体金属纳米颗粒吸收和散射入射光，并在对应于局域表面等离子体的共振波长处显示消光峰值。谱峰位置对折射率的灵敏度随金属纳米颗粒大小和共振波长而增加。通过改变金属纳米颗粒的形状可以提高折射率探测的灵敏度，目前人们已经探索了如纳米棒、纳米环、纳米棱镜和纳米立方体等各种形状的等离子体纳米生物传感器。

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基于共振介电纳米结构的亲和生物传感器

基于共振介电纳米结构的亲和生物传感器是另一种重要的亲和生物传感器。这种生物传感器利用介电纳米谐振器具有较低的固有光学吸收损耗，从而具有较高的品质因数 Q 共振，并能显著增强电场和磁场的近场的特性来实现高灵敏度传感。与其他传感方法相比，基于共振介电纳米结构的亲和生物传感器的低光学损耗也减少了共振波长下照明产生的局部热量。同时进一步的，如果采用高阶共振，这种传感器的品质因数Q值可能比等离子体中的品质因数 Q 值高出几个数量级。

基于表面增强光谱的纳米光子生物传感器

基于纳米结构金属或电介质的亲和性生物传感器通过激发分子振动，利用分子的共振频率取决于键的化学性质及其构象这一机制来实现探测和传感。这种方法可以用于识别分子“指纹”和研究分子构象，而无需外部标记。特别是，红外吸收和拉曼散射方法可以通过不使用分析物特定受体来实现生物传感器，还可以深入了解分析物的分子结构。将振动光谱仪应用于小体积生物样品的关键挑战是其相对较低的灵敏度，相应的低信号水平也限制了用于精确构象分析的振动光谱技术的性能。此外，水对中红外辐射的相对较强吸收会模糊分析物信号，因此这种方法对水介质中的生物传感提出了额外的挑战。

总结与展望

医疗器械博览会 Medtec中国展上许多专注于医疗电子制造与设计的参展商致力于不断得将可穿戴且价格合理的生物传感器逐步市场化，不仅能够满足现代医疗保健、食品安全和环境监测的需求，还能从而改善我们的福祉和整体生活质量。总之，纳米光子生物传感器已经取得了实质性进展，并表现出足够的灵敏度，甚至可以观察单个分子。集成光子学技术与商业代工厂的结合，将为小型化和廉价的纳米光子生物传感器和具有成本效益的纳米制造方法提供途径。将纳米光子结构与先进的功能涂层结合起来，可以有效地捕获目标分析物，同时对其他分子保持惰性，这是可靠分析复杂样品和在不断变化的生物环境中操作的先决条件；同样地，将纳米光子生物芯片与微流体结合，用于生物分析应用中的样品收集和处理的需求将继续增长。

来源：中国光学