综述：成像基数字传感技术在生物医学分析中的进展

这篇综述系统阐述了成像基数字传感技术（Imaging-Based Digital Sensing）如何通过将模拟信号离散化为可计数数字事件，突破传统生物医学分析（如ELISA、PCR）在痕量生物分子检测中的局限。文章创新性地按时空维度分为静态终点定量（微腔室/微滴分隔）和实时动态监测（远场/近场成像），详述了其超高灵敏度、绝对定量及抗背景干扰优势，为单分子检测、动态互作追踪及精准医疗提供了革命性工具。

　　

成像基数字传感技术：从静态定量到动态监测的生物医学革命

成像基数字传感技术的核心原理

传统生物医学分析技术如酶联免疫吸附试验（ELISA）和聚合酶链式反应（PCR）长期面临两大瓶颈：空间上无法解析单细胞/单分子水平的异质性，时间上难以捕捉动态生物过程。成像基数字传感技术通过将连续生物信号转化为离散的"数字事件"，实现了三大突破：接近物理极限的超高灵敏度、基于泊松分布的绝对定量能力，以及通过特异性互作模式识别有效抑制背景噪声。

该技术的核心在于空间离散化策略——通过微腔室阵列（microchamber arrays）或微滴分隔（microdroplet compartmentalization）将样本物理分割，或利用图案化界面（patterned interfaces）和离散微载体（discrete microcarriers）实现信号离散。成像技术提供的多维数据（如空间定位、分子构象、流体力学尺寸）进一步揭示了生物体系的结构-功能关系。

静态数字传感：终点定量技术

静态数字传感技术通过两类策略实现：

1. 样本数字化：

   • 微腔室阵列：将反应体系分隔为纳升级单元，每个单元包含0-1个目标分子，通过终点荧光成像实现单分子计数

   • 微滴数字PCR（ddPCR）：油包水微滴中完成核酸扩增，突破传统PCR的"信号平均化"局限

2. 信号数字化：

   • 表面增强拉曼散射（SERS）编码微球：每个微球产生独特光学指纹，实现多重检测

   • 量子点（QD）条形码：通过不同颜色比例编码，单次检测可区分10⁵种生物标志物

这些技术将检测限推进至zeptomole（10^-21 mol）水平，在循环肿瘤DNA（ctDNA）检测和稀有外泌体（EVs）分析中展现出临床价值。

动态数字传感：实时监测技术

动态监测技术通过三类成像策略解析生物过程的时空轨迹：

1. 远场成像：

   • 单粒子追踪（SPT）：以毫秒级分辨率记录纳米颗粒布朗运动，解析细胞膜受体动态聚集

   • 全内反射荧光显微镜（TIRFM）：监测单分子酶切反应动力学，揭示核酸酶"走走停停"机制

2. 近场成像：

   • 原子力显微镜（AFM）-红外联用：同步获取单病毒颗粒形貌与化学组成

   • 扫描离子电导显微镜（SICM）：动态观测活细胞膜孔道开闭事件

3. 外场调制：

   • 磁镊-荧光联用：实时追踪DNA-蛋白复合物构象变化

   • 光片显微镜（LSFM）：长时程观察胚胎发育中信号分子梯度形成

这些技术成功应用于药物-靶标结合动力学、抗生素耐药性演化等研究，其中HIV-1衣壳蛋白组装过程的实时解析成果入选《Nature Methods》年度技术。

未来展望

当前技术仍面临三大挑战：

1. 高通量与高时空分辨率难以兼得

2. 复杂生物基质引起的信号串扰

3. 数据分析算法滞后于图像采集速度

下一代技术将聚焦：

• 深度学习辅助的单分子轨迹分类

• 超透镜（metalens）实现亚衍射极限成像

• 微流控-低温电镜联用技术

正如作者强调，该领域正从"看得见"单分子向"看得懂"动态机制跨越，最终目标是建立活细胞内的"分子行为图谱"，为精准医疗提供全新维度