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
DNA（DNA/cDNA）、蛋白（streptavidin/BSA/antibody）、毒素（cholera toxin/ricin/Shiga-like toxin 1/SEB）、细菌（E. coli O157:H7/Salmonella Typhimurium）、小分子（biotin/digoxigenin）、农药（dichlorvos）；样品基质：缓冲液、1 M NaCl水溶液、微孔板、盖玻片、细胞/组织样品（综述示例）
检测原理
以文中多孔硅光学干涉生物传感器为例：识别元件（寡核苷酸、抗体或生物素）固定在多孔硅（PS）表面。当目标分子（互补DNA、蛋白或小分子）与识别元件结合后，PS 孔道内有效折射率和光学厚度发生变化。白光源或可调激光在 PS 上下界面反射形成 Fabry-Perot 干涉，结合事件使干涉峰发生波长位移；微腔结构可进一步窄化峰宽并增强位移。CCD 相机记录反射光谱，峰位移大小随目标浓度增加而变化，从而实现无标记光学检测。综述同时指出量子点可通过荧光强度、FRET 效率或纳米条形码编码产生信号。
检测灵敏度
LOD: 10 ppt；线性范围: 0.1 ppt–1,000 ppt（FRET）；PS 微腔: 194.2 fM 时 12 nm 红移；PhC: 2.5 fg 单分子层。
效应效果
综述指出，量子点相比有机染料具有窄发射（FWHM 约30–50 nm）、宽吸收、高消光系数、长荧光寿命和强抗光漂白能力，可在单一激发波长下实现多色复用。多孔硅干涉传感器对非互补DNA至10^-9 M无明显峰移，显示良好选择性；PS微腔在194.2 fM噬菌体DNA下产生12 nm红移。光子晶体微腔可检测2.5 fg蛋白单分子层，并用生物素–链霉亲和素模型验证选择性。QD单颗粒DNA检测较有机染料分子信标提高100倍；FRET分析LOD达10 ppt、线性范围0.1–1000 ppt。作者认为半导体纳米结构可构建高灵敏、稳定、多路复用的光学生物传感器。
传感器的构成
- 基底/换能器：硅（Si）衬底与多孔硅（PS）薄膜，提供光学干涉腔与高比表面
- 表面修饰层：PS 表面氧化硅层及化学修饰基团，用于固定识别元件
- 识别元件：寡核苷酸（DNA）、生物素（biotin）或抗体（antibody），特异性结合目标分子
- 信号标记物：无外源标记，目标结合改变 PS 有效折射率与光学厚度
- 读出装置：CCD 相机与反射光谱系统，检测 Fabry-Perot 干涉峰波长位移
中文摘要
随着半导体基纳米结构在尺寸、形貌和组成上可精确制备，其独特的光物理与化学性质使其在生物传感领域受到广泛关注。通过表面修饰，这些纳米结构可获得更好的水溶性、生物相容性和生物识别能力，从而与生物分子形成杂化体系。本文综述了半导体纳米结构在光学生物传感中的主要应用，重点讨论量子点作为荧光生物探针的机制与优势，包括尺寸可调的窄带发射、宽吸收、高量子产率、抗光漂白以及多色复用能力。文章还介绍了量子点的核壳结构、生物偶联、细胞内化及其在免疫分析、电化学检测、荧光共振能量转移和纳米条形码中的应用，并概述了多孔半导体和光子晶体等纳米结构在光学生物传感中的进展。
英文摘要
The increasing availability of semiconductor-based nanostructures with novel and unique properties has sparked widespread interest in their use in the field of biosensing. The precise control over the size, shape and composition of these nanostructures leads to the accurate control of their physico-chemical properties and overall behavior. Furthermore, modifications can be made to the nanostructures to better suit their integration with biological systems, leading to such interesting properties as enhanced aqueous solubility, biocompatibility or bio-recognition. In the present work, the most significant applications of semiconductor nanostructures in the field of optical biosensing will be reviewed. In particular, the use of quantum dots as fluorescent bioprobes, which is the most widely used application, will be discussed. In addition, the use of some other nanometric structures in the field of biosensing, including porous semiconductors and photonic crystals, will be presented.