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荧光生物传感器在生物与化学检测中的进展与挑战
作者Salha Alharthi（1）（沙特阿拉伯伊玛目阿卜杜勒拉赫曼·本·费萨尔大学）、Sarah Alharthi（2）（沙特阿拉伯塔伊夫大学）、Mohamed Madani等十余位研究者共同完成，发表于期刊*ChemBioEngRev*（2025年3月）。文章系统性综述了基于荧光（fluorescence）的生物传感器（biosensor）在生物医学、环境监测和食品安全等领域的应用原理、技术优势及当前挑战。

主要观点与论据

1. 荧光生物传感器的核心原理与优势

荧光生物传感器通过整合生物识别元件（如酶、抗体、核酸）与光学技术，利用荧光分子（fluorophore）的特性实现分析物（analyte）的高灵敏检测。其优势包括：
- 超高灵敏度：可检测低至十亿分之一（parts per billion）浓度的目标分子，如癌症标志物或环境污染物（文献[2]支持）。
- 实时监测能力：通过荧光信号动态追踪生物过程（如蛋白质相互作用），优于传统耗时分析方法（文献[5]）。
- 多场景适用性：在即时诊断（point-of-care, POC）、活体分析和复杂混合物检测中表现突出（文献[3]）。

2. 技术分类与设计关键

文章详细分类了荧光传感器的技术路径：
- 直接标记法（direct labeling）：荧光染料直接标记靶分子，简单但可能干扰分子功能（文献[6]）。
- Förster共振能量转移（FRET）：通过能量转移监测分子距离变化，适用于蛋白质构象研究（文献[7]）。
- 表面等离子体共振（SPR）与表面增强拉曼散射（SERS）：无标记检测技术，但需精密仪器（表1对比）。

设计关键包括：
- 生物受体选择：酶（高催化活性但稳定性差）、抗体（高特异性但成本高）、DNA（可扩增但需PCR）。
- 荧光团优化：需平衡激发/发射波长、亮度和光稳定性（文献[15]）。
- 固定化技术：物理吸附（简单但易脱附）与化学交联（稳定但可能改变受体结构）（文献[16]）。

3. 应用领域与典型案例

• 医学诊断：早期癌症标志物（如HIV、阿尔茨海默病蛋白）检测（文献[8]）。
  
• 药物开发：实时追踪药物-靶标相互作用（文献[9]）。
  
• 环境与食品安全：水中重金属、食物病原体（如大肠杆菌）的快速筛查（文献[10]）。
  案例：SPR传感器检测免疫球蛋白A（IgA）缺乏症，灵敏度达400 ng/mL，与ELISA结果一致（文献[72]）。
  

4. 现存挑战与解决方案

• 光漂白（photobleaching）：持续光照导致信号衰减，需开发更稳定的荧光团（文献[29]）。
  
• 组织穿透深度限制：荧光在深层组织中信号弱，需结合近红外探针（文献[11]）。
  
• 成本与技术门槛：微型化与多路复用（multiplexing）技术是未来重点（文献[30]）。
  

学术价值与意义

1. 系统性技术梳理：首次将荧光传感器按原理、受体、换能器（transducer）分类（图2），为研究者提供设计框架。
   
2. 跨领域应用指导：涵盖医疗、农业到国防，例如COVID-19呼吸监测传感器（文献[65]）。
   
3. 未来方向预测：指出纳米材料（如量子点）和微流控（microfluidics）技术将推动传感器性能突破（文献[31]）。
   

该综述不仅总结了技术现状，更通过对比分析（如表1）和案例实证，为跨学科研究提供了方法论支持，具有较高的学术参考价值。