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
胆固醇（cholesterol，氯仿）、NAD(P)+/NAD(P)H（缓冲液）、多巴胺（dopamine，水）、茶碱（theophylline，缓冲液）、莠草津（atrazine，乙腈）、蔗糖（sucrose，缓冲液）、对氧磷（paraoxon，缓冲液）、葡萄糖（glucose，缓冲液）、单链DNA（ssDNA，缓冲液）、腺苷（adenosine，缓冲液）、可卡因（cocaine，缓冲液）、游离前列腺特异性抗原（f-PSA，缓冲液/人血清）、IgG（缓冲液）、人血清白蛋白（HSA）与钙调蛋白（calmodulin，缓冲液）
检测原理
表面附着水凝胶薄膜作为活性结合基质，先通过抗体、酶、DNA探针、适配体或MIP印迹位点特异性捕获目标物。识别事件可改变水凝胶的溶胀/塌缩状态、局部折射率、聚合物构象或嵌入纳米粒子间距：MIP结合改变凝胶密度；酶催化产生H+、H2O2或改变pH，驱动响应性水凝胶溶胀；免疫夹心中荧光标记二抗结合后被LRSP场增强激发；AuNPs/AgNPs间距变化引起LSPR位移。上述界面变化通过SPR、OWS、LSPR或荧光读出，信号随目标物浓度增加而增强或位移。
检测灵敏度
LOD: NAD(P)+/NAD(P)H 1 µM (buffer)；线性范围: 1 µM–1 mM；LOD: dopamine 1 nM (water)；LOD: Theophylline 10 µM (buffer)；LOD: atrazine 5 pM (acetonitrile)；LOD: sucrose 25 pM (buffer)；LOD: paraoxon 6 nM (buffer)；LOD: glucose 3 µM (buffer)；LOD: glucose 0.1 mM (buffer)；LOD: glucose 10 pM (buffer)；LOD: DNA 6.7 nM (buffer)；LOD: cocaine <1 μM (buffer)；LOD: f-PSA 34 fM (buffer)；LOD: f-PSA 330 fM (human serum)；LOD: IgG 10 pM (buffer)；LOD: IgG 50 pM (SPR, buffer)
效应效果
综述报道的水凝胶光学传感器具有抗污、生物相容和三维高结合容量优势，可减轻空间位阻并加速扩散。HOWS利用约2 μm厚PNIPAAm水凝胶同时作为结合基质和波导，其折射率测量分辨率较常规SPR提高一个数量级，IgG检测LOD由50 pM降至10 pM。LRSP增强荧光免疫法检测f-PSA在缓冲液中LOD为34 fM，在人血清中为330 fM，较直接折射率检测低约4个数量级，且受非特异吸附影响较小。酶/纳米粒子体系可检测葡萄糖至10 pM、蔗糖至25 pM。作者认为响应性水凝胶有望提升灵敏度并简化医学诊断与环境监测中的低分子检测。
传感器的构成
- 基底/换能器：金膜/玻璃、单模光波导或银岛，用于激发SPR/OWS倏逝场或LSPR
- 水凝胶结合基质：交联PNIPAAm、羧甲基葡聚糖（CM-dextran）、聚丙烯酰胺、琼脂糖-瓜尔胶等，提供三维结合微环境
- 光交联/响应基团：苯并酮、叠氮、羧基、离子基团，用于表面固定、交联及pH/温度/盐响应
- 生物识别元件：抗体（IgG/anti-IgG）、酶（GOx、invertase）、DNA探针、适配体或MIP印迹位点，特异性捕获目标物
- 信号标记/放大：荧光标记二抗、AuNPs、AgNPs、荧光染料或pH敏感荧光钌配合物，将结合事件转为荧光/折射率/LSPR信号
- 封闭剂：乙醇胺（ethanolamine），用于封闭非特异结合位点
中文摘要
由水溶胀聚合物网络构成的水凝胶材料具有多种对光学生物传感器应用极具吸引力的特性。其以水为溶胀介质，赋予材料生物相容性、抗污性和无细胞毒性，同时具备高光学质量与透明性。本综述聚焦于表面附着水凝胶薄膜作为活性结合基质，在基于表面等离子共振（SPR）和光波导模态光谱（OWS）的光学生物传感器中的若干关键方面。文章重点讨论此类水凝胶表面结构用于基于倏逝波光学的高灵敏亲和生物传感器的化学本质、结构特性与应用。响应性水凝胶体系可在温度、pH、盐浓度、光、电场等外部刺激下改变物理状态，作为复杂功能材料在水凝胶传感器件中受到广泛关注。
英文摘要
Hydrogel materials consisting of water-swollen polymer networks exhibit a large number of specific properties highly attractive for a variety of optical biosensor applications. This properties profile embraces the aqueous swelling medium as the basis of biocompatibility, non-fouling behavior, and being not cell toxic, while providing high optical quality and transparency. The present review focuses on some of the most interesting aspects of surface-attached hydrogel films as active binding matrices in optical biosensors based on surface plasmon resonance and optical waveguide mode spectroscopy. In particular, the chemical nature, specific properties, and applications of such hydrogel surface architectures for highly sensitive affinity biosensors based on evanescent wave optics are discussed. The specific class of responsive hydrogel systems, which can change their physical state in response to externally applied stimuli, have found large interest as sophisticated materials that provide a complex behavior to hydrogel-based sensing devices.