组成图示
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传感器类型
综述或非传感器论文
检测对象
生物靶标（biotargets，如蛋白、DNA/RNA）、细胞表面配体/受体（cell-surface ligands/receptors）、caspase-9活性（caspase-9 activity）、苯并[a]芘（benzo[a]pyrene）、苯并[a]芘四醇（benzo[a]pyrene tetrol）、细胞内pH/钙/镁/钾/氧（pH, Ca2+, Mg2+, K+, O2）；样品基质：单细胞、活细胞、细胞培养液、复杂生物样品。
检测原理
光学生物传感器通常将生物识别元件固定在光学换能表面或纳米探针上。当目标分子与抗体、适配体、核酸探针或全细胞结合时，会引起界面折射率变化或荧光状态改变。SPR、干涉仪和谐振镜通过倏逝场感知金属或波导表面附近折射率变化，将结合事件转换为共振角、共振波长、相位或强度变化，实现无标记实时检测。荧光、FRET和分子信标则利用荧光团-猝灭剂距离变化或构象开关产生荧光信号；酶切底物如LEHD-AMC被caspase-9切割后释放AMC，经激发产生荧光，信号强度随酶活性增加。纳米探针、量子点和PEBBLE可进入细胞，通过离子载体、pH指示剂或荧光标记实现胞内小分子监测。
检测灵敏度
—
效应效果
综述强调光学生物传感器具有抗电磁干扰、可多波长复用、实时无标记和单细胞分辨率等优势。SPR可研究生物分子结合的特异性、亲和力和动力学；干涉仪与谐振镜对表面折射率变化敏感，适合细胞附着和配体诱导反应监测。荧光、FRET和分子信标提供高选择性，GFP和量子点可用于活细胞标记与多路复用。PEBBLE纳米探针显示良好可逆性、抗浸出和光漂白能力，并能同时监测多种胞内分析物。单纳米颗粒LSPR可长时间监测单个受体结合动力学。作者认为该技术有望用于药物筛选、毒理诊断和基础细胞生物学，但表面固定、系统集成和数据分析仍需进一步成熟。
传感器的构成
- 基底/换能器：玻璃基底、棱镜、硅基波导或石英光纤，用于激发和收集光信号。
- 金属/谐振修饰层：金或银薄膜、高折射率介质谐振层与低折射率间隔层，用于产生SPR或谐振镜倏逝场。
- 识别元件：抗体、适配体、DNA/RNA/PNA探针、分子信标或全细胞，用于特异性结合目标。
- 信号标记/放大元件：荧光染料、GFP、量子点、AMC、猝灭剂或离子载体，用于将结合事件转为光学信号。
- 微结构/封装层：PDMS弹性体、微流控通道或PEBBLE聚合物基质，用于图案化、进样或胞内递送。
- 读出系统：荧光光谱仪、SPR角度/波长/强度检测、干涉仪相位检测或Bragg波长检测，输出信号。
中文摘要
理解生命最小单元中的复杂过程需要新的分析手段。近年来，光学器件与光学技术在单细胞及细胞群体性质研究中的应用日益活跃，包括细胞间通讯、细胞表面相互作用和胞内信号通路监测。本文综述了用于细胞水平探测的光学生物传感器相关技术进展，重点介绍荧光检测、折射率检测、表面等离子共振、干涉仪、谐振镜、光纤生物传感器和光纤布拉格光栅等换能机制，并讨论其在生物靶标检测、细胞增殖/凋亡信号、单细胞内生化物监测以及遗传传感器中的应用。文章还展望了纳米探针、量子点、单纳米颗粒光学传感、软刻蚀图案化和微流控集成等未来发展方向，指出光学纳米传感器有望成为分子与细胞水平诊断、药物筛选和基础生物学研究的重要工具。
英文摘要
New approaches are required to understand the complex processes taking place in the smallest unit of life. Recent years have seen an increasing activity in the use of optical devices and techniques for the investigation of the properties of single cells and also populations of cells including cell to cell communication. This article reviews relevant optical technologies to date as well as new advances in biosensor development, and goes on to explore reported applications in detection of biotargets and cellular signalling pathways inside individual living cells.