(根据文档内容判断属于类型b:综述论文)
该综述由韩国成均馆大学(Sungkyunkwan University)生物物理系的Dang Du Nguyen、Seho Lee和Inki Kim三位学者共同完成,其中Inki Kim为通讯作者。论文发表于2023年6月7日的《Biosensors》期刊第13卷第6期,DOI号为10.3390/bios13060631,属于开放获取文章。
这篇综述系统阐述了超光子生物传感器(metaphotonic biosensors)的最新研究进展,重点介绍了基于等离子体(plasmonic)和介电(dielectric)超表面的生物传感技术及其在医疗诊断中的应用潜力。
论文详细分析了两种核心工作机制:等离子体超表面(plasmonic metasurfaces)和介电超表面(dielectric metasurfaces)。等离子体超表面主要依赖表面等离子体共振(SPR)和局域表面等离子体共振(LSPR)现象,当入射光与金属纳米结构中的自由电子相互作用时会产生电磁场增强效应。作者引用Nguyen等学者的研究数据指出,金纳米棒阵列在近红外区域可实现150nm/RIU的折射率灵敏度。介电超表面则通过米氏共振(Mie resonances)和连续域束缚态(BICs)等原理实现光场调控,硅纳米盘谐振器在1488nm波长处表现出25的品质因数。
文章将超光子生物传感技术分为四类系统阐述: - 折射率传感:通过监测谐振波长偏移实现无标记检测。例如Li等开发的SPR传感器对SARS-CoV-2变种RBD域的检测限达100ng/mL,而硅纳米盘阵列对前列腺特异性抗原(PSA)的检测限低至1.6ng/mL。 - 表面增强荧光:利用电磁场增强效应提高荧光信号。文中特别介绍了Iwanaga团队开发的硅纳米棒介电超表面,可使癌胚抗原(CEA)的检测限达到0.85pg/mL,比常规ELISA方法灵敏度提高三个数量级。 - 表面增强振动光谱:包括表面增强拉曼散射(SERS)和表面增强红外吸收(SEIRA)。论文引用Caldarola等的研究表明,硅二聚体纳米天线在860nm波长处产生5.5倍的电场增强,且温升控制在100°C以下,避免了金属纳米结构常见的分子热损伤问题。 - 手性传感:通过超表面设计实现对生物分子手性结构的特异性识别。作者展示了不对称硅纳米椭圆对阵列如何通过打破面内对称性来调控准BIC模式的品质因数。
综述重点探讨了将超光子传感器与微流控芯片集成的技术进展。Yavas等开发的硅纳米盘阵列传感器整合了微机械阀门和多重检测通道,能够实时监测PSA抗原的动态结合过程(图7a-b)。Wang等设计的3D纳米天线结构(图8a-c)实现了对埃博拉病毒糖蛋白220fg/mL的超灵敏检测,展示了在突发传染病监测中的应用价值。
作者客观分析了当前面临的三大挑战: 1) 成本效益问题:虽然介电超表面相比贵金属结构更具成本优势,但纳米级加工精度要求仍制约大规模生产; 2) 复杂生物样本处理:血清等复杂基质中的非特异性吸附会影响检测准确性,需要开发更特异的表面功能化方法; 3) 标准化瓶颈:不同实验室报道的增强因子(EF)测试方法差异导致结果难以直接比较。
该综述的科学价值体现在三个方面:首先系统建立了超光子生物传感器的理论框架,将原本分散的等离子体和介电体传感机制统一在”光-物质相互作用增强”的核心范式下;其次通过详尽的文献分析(共引用132篇参考文献)揭示了材料选择(如高折射率硅vs金属)、结构设计(纳米盘/纳米棒/二聚体等)与传感性能的构效关系;最后提出了”准BIC模式调控”等创新方向,为下一代生物传感器开发提供理论指导。
在应用层面,论文强调这类传感器在即时诊断(POCT)领域的变革潜力:如SARS-CoV-2变异株监测(图6a-c)、癌症早期标志物检测(图7d-f)等方面展示的优异性能,将推动个性化医疗发展。作者特别指出,介电超表面相比传统等离子体结构具有更低的检测背景噪声和更好的批次重复性,更符合临床诊断需求。
本综述的突出亮点在于: 1) 首次将表面增强荧光与折射率传感两种技术路线纳入统一框架进行比较分析; 2) 提出”热管理”新视角,通过实验数据证明介电纳米结构可降低光热转换效率达17.6倍(图9c); 3) 系统总结了超表面功能化方法,包括硅烷化、生物素-链霉亲和素等多种生物偶联策略的操作细节与适用场景。
文中展示的路线图(图2)清晰呈现了从基础研究到临床转化的技术发展路径,对跨学科研究者具有重要参考价值。这些创新性论述使该论文成为超光子生物传感领域具有里程碑意义的综述文献。