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
肿瘤生物标志物（oncology biomarkers，包括癌胚抗原 CEA、甲胎蛋白 AFP、HER2 胞外域、细胞因子 IL-8、甲基化 DNA、组蛋白修饰如 H3K27me3）；样品基质：血清、血浆、唾液、尿液等体液。
检测原理
无标记光学生物传感器将生物流体引入微流控通道，目标肿瘤标志物与固定在波导表面的生物识别分子特异性结合。结合事件改变传感界面附近的局部折射率，进而改变波导或环谐振器的有效折射率。对于环谐振器，有效折射率变化引起共振波长移动；对于SPR器件，引起共振角度变化；对于吸收型器件，引起溶液吸收变化。槽波导将光场限制在低折射率槽区，增强光与生物层相互作用；高Q环谐振器通过多次循环增加等效相互作用长度，使少量结合分子也能产生可测共振移动。输出信号以共振波长/角度/折射率变化读出，不依赖荧光标记，可研究结合动力学。
检测灵敏度
原文为综述，未报告单一新传感器的LOD、线性范围或R^2；表1/表2代表性数值：Silicon microring resonator LOD: 25 ng/ml（CEA，undiluted serum）；SPR (Biacore) LOD: 1.5 ng/ml（IL-8，human saliva）；SPR + WDM LOD: 0.2 ng/ml（anti-Epstein-Barr virus antibodies，1% human serum）；SPR LOD: <20 ng/ml（AFP，human plasma）；Microfl. module + SPR LOD: 1 ng/ml（insuline，insulin-impregnated serum samples）；Opto-fluidic ring resonator LOD: 13 ng/ml（HER2 extra-cellular domain，human serum）；Opto-fluidic ring resonator LOD: 1 nM（Methylated DNA，buffer solution）；Slot based microring resonator LOD: 2–50 ng/ml，sensitivity: 70 nm/RIU。
效应效果
综述比较ELISA、多重阵列、多重ELISA与无标记光学传感器。ELISA检测限0.003–0.6 ng/ml、灵敏度2.4 fmol/well，但一次仅测单一分子且依赖抗体质量；多重阵列检测限3.2–22.2 ng/ml，可并行约100种分子，但血清/血浆中交叉反应和动态范围问题明显；多重ELISA检测限0.02–0.53 ng/ml，可约25种。Biacore SPR检测限0.01–10 ng/ml、灵敏度0.1 RU；Axela DOT约0.04 ng/ml；CSEM WIOS约0.2 ng/ml；槽式微环谐振器2–50 ng/ml、70 nm/RIU，可数千通道。作者认为无标记光学传感器可直接检测体液中原生标志物，适合组蛋白修饰等表观遗传标志物，目标检测限约1–50 ng/ml。
传感器的构成
- 基底/换能器：硅基波导/环谐振器（SOI, Silicon On Insulator）作为光传输与传感换能结构，通过有效折射率变化响应生物分子结合
- 微流控通道：平面微通道（microchannels）用于输送生物流体，端部电压驱动样品流动
- 传感表面功能化：生物识别分子固定层（bio-recognition molecules）用于捕获目标肿瘤标志物
- 识别元件：抗体（antibodies）、酶（enzymes）、核酸（nucleic acids）或蛋白（proteins）等生物受体
- 信号标记物：无标记（label-free）检测，目标分子保持天然形式，不添加荧光或放射性标记
- 光学信号区：槽波导（SWG, slot waveguide）增强光场与生物层相互作用
- 读出：光学检测器读取共振波长/角度/折射率变化（RWS/RAC/RIC）
中文摘要
许多癌症类型生存率低且治疗反应不可预测。简便的分子分析有助于患者分层和治疗个体化。为克服现有分析设备局限，已提出多种集成器件，它们提供更高灵敏度和易于并行检测。尤其，无标记光学生物传感器兼具集成传感器优点（易操作、便携、低样本量）并能以原始形式检测目标分子。本文综述集成光学生物传感器现状，并讨论其用于检测体液中蛋白变体的可能应用，尤其关注组蛋白修饰。组蛋白翻译后修饰是一类在癌症中常失调的表观遗传标志物。现有技术无法对单个患者所有组蛋白修饰进行全面分析。因此，无标记光学生物传感器可能为肿瘤学新型生物标志物的发现与检测开辟道路。
英文摘要
Many cancer types are characterized by poor survival and unpredictable therapy response. Easy-to-perform molecular analyses may help patient stratification and treatment tailoring. Several integrated devices have been proposed to overcome current analysis equipment limitations. They offer improved sensitivity and easy availability of parallel detection. Particularly, unlabelled optical biosensors combine the manifold advantages of integrated sensors (e.g. easy handling, portability and low-volume requirement) with detection of target molecules in their original form. Here, we review integrated optical biosensor current features, and discuss their possible application to the detection of protein variants from body fluids, with particular regard to histone modifications. Indeed, histone post-translational modifications are a set of epigenetic markers frequently deregulated in cancer. Available technology does not allow a comprehensive analysis of all histone modifications in a single patient. Thus, label-free optical biosensors may pave the way to the discovery and detection of a novel class of biomarkers in oncology.