综述：基于纳米材料的光学生物传感器及其生物医学和生物制药应用

这篇综述系统总结了纳米材料光学传感器（LSPR/SERS/ECL等）在即时检测（POC）、循环肿瘤细胞（CTCs）监测、药物代谢追踪等领域的突破性进展，重点阐述了0D-3D纳米材料（如AuNRs、QDs、MOFs）通过局域表面等离子体共振（LSPR）、表面增强拉曼散射（SERS）等机制实现超灵敏检测的创新设计，为精准医疗和个性化治疗提供了前沿技术路线。

　　

纳米材料光学传感器的生物医学革命

1. 引言
从石蕊试纸到现代纳米传感器，光学检测技术经历了从简单pH指示到分子水平实时监测的跨越。纳米材料的引入（如AuNPs、QDs）使光学传感器兼具便携性、微型化和快速响应优势，在家庭诊断、药物监测等领域展现出替代传统电化学传感器的潜力。智能手机摄像头的普及进一步推动了LSPR和SERS技术的民用化发展。

2. 光学分子传感平台设计原则
2.1 LSPR用于POC检测
金纳米棒（AuNRs）通过纵向等离子体峰位移实现多色检测，如Ag壳Au@Ag纳米棒（AuNBP@Ag）在过氧化氢（H₂
O₂
）蚀刻下产生彩虹色变化，可检测2.5-105 ng/mL的鳞状细胞癌抗原（SCCA）。侧流免疫分析（LFIA）结合核壳磁性等离子体纳米颗粒，使丙肝抗体检测灵敏度提升4倍。

2.2 荧光生物医学诊断
双发射量子点（如CdSe/CdS/ZnS）构建的比率荧光传感器，通过FRET效应实现心肌脂肪酸结合蛋白（H-FABP）的视觉定量（0.21 ng/mL）。DNA模板银纳米簇（AgNCs）能区分癌细胞表面蛋白二聚体构象，为肿瘤分型提供新工具。

2.3 SERS单分子分析与CTC检测
金纳米星（AuNSs）在纳米孔中形成"热点"，实现10种氨基酸单分子鉴别。抗体修饰的SERS纳米标签（如AuNP@Ag）可同时追踪黑色素瘤治疗中CTC表面标志物演化，灵敏度达1细胞/mL血液。

3. 关键纳米材料应用
3.1 0D材料

• 贵金属纳米簇：铂纳米簇（PtNCs）催化TMB显色检测肝素（2×10^-3
  μg/mL）
• 氧化物纳米酶：黑TiO₂
  NPs兼具SERS成像和光热治疗功能
• 量子点：DNA导向的CdTe/CdS QDs磁珠实现CTC分选（80%捕获率）
• 上转换纳米晶：NaYF₄
  :Yb/Er@SiO₂
  @Ag纳米探针通过硫化反应实时监测二甲双胍肝毒性（0.7 nM）

3.2 1D材料
金纳米棒二聚体通过DNA调控间距，实现miR-21的SERS活细胞成像（0.011 amol/ng_RNA
）。

3.3 2D/3D材料

• MOFs：锌卟啉-Co(II) MOF构建SARS-CoV-2 RdRp基因电化学发光传感器（30 aM）
• 穿戴设备：3D交叉金纳米棒（AuNWs）隐形眼镜实现泪液葡萄糖SERS检测（0.1 mM）

4. 挑战与展望
当前瓶颈包括纳米材料环境敏感性、穿戴传感器长期稳定性，以及低成本量产工艺。未来方向应聚焦机器学习辅助纳米结构设计、视网膜安全激光集成等跨学科创新，推动实验室成果向临床转化。