功能纳米材料涂层增强光纤生物传感器性能：从医学诊断到环境监测的新突破

《IEEE Sensors Reviews》：Functional Nanomaterial Coatings on Optical Fibers: Toward Enhanced Biosensing Performance

本刊推荐意大利国家研究委员会团队在光纤生物传感器领域的突破性研究。为解决传统光学传感器在复杂生物环境中重现性差、选择性不足等难题，研究人员通过整合金属/氧化物/聚合物纳米材料涂层，开发出具有超高灵敏度（检测限达0.06 ng/mL）和多重检测功能的新型光纤生物传感器。该研究系统阐述了表面等离子体共振（SPR）、局域表面等离子体共振（LSPR）和倏逝波传感等机理，并展示了在CRP蛋白检测、皮质醇监测等临床应用潜力，为即时诊断（POC）和活体传感提供了创新解决方案。

　　

在医学诊断、环境监测和食品安全领域，对生物标志物的快速、精准检测需求日益迫切。传统光学传感器虽具有灵敏度高等优势，却面临在复杂生物环境中信号稳定性不足、重现性差以及难以实现实时多重检测等瓶颈。特别是在临床场景中，传感器需要同时应对低浓度靶标检测、抗生物污染和长期稳定性等多重挑战。

发表于《IEEE Sensors Reviews》的这项研究开创性地将功能纳米材料涂层与光学光纤相结合，为突破这些技术壁垒提供了新思路。研究团队通过精密调控纳米涂层的物理化学特性，显著增强了光与物质的相互作用，使传感器在检测限、选择性和多功能性方面实现跨越式提升。

研究团队重点开发了多种关键技术方法：首先采用倾斜光纤光栅（TFBG）和锥形光纤（TOF）等特殊光纤结构增强倏逝场；其次通过磁控溅射（PVD）、原子层沉积（ALD）等技术在光纤表面构建金纳米颗粒、氧化锌纳米棒等功能涂层；同时结合微流控系统实现样本自动输送；利用石墨烯氧化物（GO）等材料的固有羧基实现免标记生物分子固定。临床验证环节采用实际生物样本进行性能测试。

传感方案与光纤构型创新

通过系统比较单模光纤（SMF）、多模光纤（MMF）、U型光纤和D型光纤等不同构型，研究发现锥形光纤通过将直径缩减至微米级可显著增强倏逝场相互作用。特别是倾斜光纤光栅产生的窄带光学共振谱，为环境变化提供了超高精度测量基础。

纳米材料增强性能机制

金属纳米材料通过表面等离子体共振（SPR）效应将电磁场局域化，氧化锌（ZnO）等金属氧化物凭借高折射率和低带隙特性增强光学校准能力，而聚合物纳米颗粒则提供优异的生物相容性和化学稳定性。研究证实，石墨烯氧化物涂层既可作为高折射率材料，又能通过固有羧基直接固定生物识别元件，避免额外化学处理导致的信号衰减。

先进制备技术突破

原子层沉积（ALD）可实现原子级精度的涂层控制，特别适用于100纳米以下的超薄涂层制备。而层层自组装（LbL）技术通过交替沉积带相反电荷的材料，构建出具有梯度界面的多功能纳米涂层。这些技术为传感器在复杂环境中的稳定运行提供了材料基础。

实际应用验证

在C反应蛋白（CRP）检测案例中，采用多巴胺作为交联剂固定抗体的光纤SPR传感器展现出卓越的线性响应特性，为医疗诊断提供了可抛弃式检测方案。另一项研究将氧化石墨烯涂层与长周期光栅（LPG）结合，实现了水产养殖环境中皮质醇的实时监测，检测范围覆盖0.01-100 ng/mL，检测限达0.06 ng/mL。

研究结论强调，通过精准调控纳米材料与光纤的协同作用，成功解决了传感器在真实生物环境中的稳定性、重现性和多功能检测等关键难题。这种跨学科方法不仅推动了光纤生物传感器（OFBs）从实验室向临床应用的转化，还为个性化医疗、环境实时监测等领域提供了创新技术平台。特别是将微流控系统与纳米涂层光纤的集成方案，显著提升了检测通量和操作便捷性，为下一代即时诊断（POC）设备的开发奠定了坚实基础。

未来研究重点将聚焦于提高传感器在复杂生物流体中的抗污染能力、优化大规模生产工艺以降低成本，以及探索在活体传感中的长期稳定性解决方案。这些突破将加速高性能光纤生物传感器在全球诊断和监测网络中的广泛应用。