综述：高性能纳米生物传感技术应对未来诊断需求

这篇综述系统评述了高性能纳米生物传感器（nanobiosensor）的技术进展，重点分析了电学（FET）、光子（SERS/SPR）、磁学（GMR/SQUID）和质量（cantilever）四大转导原理在核酸（NA）、蛋白质（P）和小分子（SM）检测中的性能极限（LOQ低至aM级），并探讨了其在癌症（VEGF/PSA）、心血管疾病（cTnI）和感染性疾病（SARS-CoV-2）等领域的应用潜力，为下一代诊断技术开发提供了全景式技术路线图。

　　

纳米生物传感技术格局正在演变

医疗系统的革新始终伴随着生物传感技术的突破。COVID-19大流行展示了医疗系统快速响应能力，而纳米生物传感器凭借单分子水平检测灵敏度（sub-pM）、多重检测（multiplexing）和多模态（multimodality）能力，正成为早期疾病诊断的核心工具。液态活检和实时监测的需求推动着便携化、低成本化技术的发展，但商业化进程仍滞后于实验室突破。

生物传感技术及其特性

生物传感器通过生物受体特异性识别目标物，并将结合事件转化为可读信号。转导机制分为四大类：

1. 电化学传感：如场效应晶体管（FET）利用石墨烯（graphene）、碳纳米管（CNT）等纳米材料通道检测导电性变化；
2. 光子传感：包括表面增强拉曼散射（SERS）、局域表面等离子共振（LSPR）和上转换发光（UCNP）；
3. 质量传感：基于微悬臂梁（cantilever）或声波（QCM）的质量响应；
4. 磁学传感：如巨磁阻（GMR）和氮空位量子中心（NVQC）检测磁性纳米标签（MNP）信号。

纳米生物传感技术性能比较

对41种平台的评估揭示：

• 灵敏度王者：MoS₂-FET实现0.001 fM LOQ，Simoa?（dELISA）和SiMREPS分别达0.5 fM和1 fM；
• 多重检测标杆：等离子体纳米天线（PN）可同步检测5种分析物，而CNT-FET、TiMES等支持4重检测；
• 多模态典范：IRIS和NW-FET能同时检测蛋白质/核酸/小分子。

临床应用实例

• 癌症诊断：前列腺癌PSA检测（NW-FET）、肺癌miRNA-21（G-FET）；
• 心血管疾病：心肌肌钙蛋白（cTnI）通过SERS实现0.316 fM检测；
• 感染性疾病：SARS-CoV-2刺突蛋白（G-FET aptasensor）和HIV p24蛋白（MF平台）；
• 神经退行疾病：τ蛋白（Simoa?）和β淀粉样蛋白（digital-SERS）。

技术挑战与未来方向

1. 扩散极限：超低浓度（aM）下分子与传感器的碰撞概率成为瓶颈，微珠传感器或优于平面设计；
2. 背景噪声：非特异性结合干扰需通过动力学指纹（如SiMREPS）区分；
3. 数字化检测：阵列传感器（10³-10⁶单元）利用泊松统计突破灵敏度极限，但动态范围受限。

纳米生物传感器正从实验室走向临床，其技术突破将重塑疾病筛查、预后监测和个性化医疗的边界。