Adv. Photon. | 一根光纤把生物检测带进“实时、微量、智能”的新时代

Advanced Photonics 2026年第1期文章：

Jan Nedoma, Daniel Krizan, Jiri Stipal, Lucas Pereira, Aliya Bekmurzayeva, Daniele Tosi, Magno B. Costa, Arnaldo Leal-Junior, Radek Martinek, Carlos Marques,  "Decade of advancements in light–matter interaction-based optical fiber biosensing: innovations, challenges, and future directions," Adv. Photon. 8, 014004 (2025)

过去十年，生物检测技术正在发生一场深刻的变革，曾经更多服务于通信领域的光纤，正在从“光的传输通道”变成“感知生命信号的探针”。这篇发表于Advanced Photonics 的综述系统梳理了光纤生物传感近十年的发展脉络，也让我们看到：一根细如发丝的光纤，为什么有可能成为下一代精准诊断、环境监测和智能医疗的重要底层技术。

光纤生物传感的核心逻辑并不复杂。光在光纤中传播时，纤芯边界附近会形成一层对外界非常敏感的倏逝场。当目标分子靠近并结合在光纤表面时，局部折射率会发生细微变化，这种变化会进一步转化为波长漂移、相位变化或光强变化。也就是说，分子级别的识别事件，可以被转换为可测量的光学信号。正因为这种机制，光纤生物传感天然具备高灵敏度、微型化、抗电磁干扰、可实时监测等优势，尤其适合复杂生物环境中的连续检测。

更重要的是，这一领域已经不再停留在单一概念验证阶段。相比于传统生物检测平台，光纤生物传感更适合低样本量、原位和连续监测场景。过去十年里，研究者开发出多元化光纤生物传感技术体系，包括干涉型传感器、光纤布拉格光栅传感器、D形光纤、微结构光纤以及基于表面等离激元和损耗模共振的方案等。它们分别在灵敏度、结构紧凑性、标签自由检测和多参数集成上展现出不同优势。从病原体检测、DNA杂交识别，到癌症标志物、心血管分子、神经相关生物标志物，再到环境毒素与工业过程监测，光纤生物传感已经展现出极强的跨场景适配能力。综述中给出了令人印象深刻的数据：部分系统的检测下限已低于飞摩尔量级，选择性可超过100:1，稳定运行时间可超过60天，显示出该领域正不断突破灵敏度、特异性与长期稳定性的瓶颈。随着精准医疗、即时诊断和多分析物同步检测需求持续增长，光纤生物传感正在被视作Healthcare 5.0背景下的重要候选技术。

更值得关注的不仅仅是它的灵敏度，而是它为什么可能改变未来检测方式。传统生物检测常常依赖较大样本量、复杂试剂流程和集中式仪器平台，而光纤生物传感的独特优势在于，它有机会用更小体积、更低样本量、更接近原位的方式完成检测。血液、尿液、脑脊液之外，唾液、汗液、泪液这类低样本介质，也正在成为新的检测对象。这意味着，未来检测可能不必总是在实验室里完成，而是更接近临床现场、家庭场景，甚至贴近人体持续运行。

因此，奥斯特拉发技术大学的Carlos Marques教授研究团队撰写综述，回顾并分析了光纤生物传感器在过去十年中的研究进展，重点介绍了它们在多个领域的功能和应用，包括医疗诊断、环境监测和工业过程控制。最后，探讨了该领域的未来发展方向，相关成果以“Decade of advancements in light–matter interaction-based optical fiber biosensing: innovations, challenges, and future directions”为题，发表在Advanced Photonics 2026年第1期。

光纤生物传感的发展，并不是单一器件性能的线性提升，而是从器件制备、信号读取、表面功能化到实际应用评估的系统推进。文章在方法部分对这一流程进行了完整梳理（图1）：从传感器制备开始，经过光学测试平台搭建、折射率灵敏度校准、表面功能化、性能评价，最终延伸至面向不同应用场景的器件优化与工程转化。这套覆盖单一器件到生物传感器系统的全流程研发体系，正是该领域在过去十年持续实现突破的底层逻辑。

图1 基于光纤的生物传感器的制造和测试过程示意图

从基本机理来看，光纤生物传感的核心在于光与生物分子相互作用所引起的局部光学响应变化。该综述对光纤传感核心机理作出了清晰阐释，当光纤表面附近的分析物浓度或分子结合状态发生改变时，传播模式的有效折射率会随之变化，并最终表现为可测量的波长、相位或光强信号变化。其中，波长调制常见于光纤布拉格光栅传感器，相位调制广泛应用于干涉型传感器，而光强调制则常见于损耗模共振或表面等离激元相关的方案。不同信号转导方式在灵敏度、动态范围和系统集成方面各具优势，共同构成了目前光纤生物传感器件设计的理论基础。

近十年，光纤生物传感已经形成了较为清晰的技术谱系（图2）。以干涉型传感器为代表的方案，通过光程差变化实现极高灵敏度检测，在病原体识别、癌症标志物分析和环境监测中表现突出；以光纤布拉格光栅为代表的方案，则通过反射波长漂移实现稳健检测，并具备较强的复用潜力；此外，D形光纤、微结构光纤以及结合表面等离激元和损耗模共振的设计，也持续拓展着光纤生物传感的应用边界。这些不同结构并非简单替代关系，而是在灵敏度、易集成性、结构复杂度和适用场景之间形成了互补。

图2 光纤传感基本原理

在众多方案中，文章还给出了具体器件案例；例如，基于固定支撑聚合物微桥的光纤端面Fabry–Pérot传感系统展示了干涉型光纤生物传感技术在葡萄糖检测中的应用潜力（图3）。该系统通过在光纤端面构建微腔结构，使待测样品进入腔体后引起平均折射率变化，进而带来反射谱的漂移，从而实现对目标物浓度的定量检测。这类实例表明，光纤生物传感正从原理探索迈向面向具体分析任务的器件化实现。

图3 基于固定支撑聚合物微桥的光纤端面Fabry–Pérot葡萄糖传感系统

一根光纤要真正成为生物传感器，关键并不只在于导光结构本身，还在于表面功能化（图4）。研究人员通常需要在光纤表面引入特异性生物识别分子，如抗体、核酸探针、适配体或分子印迹材料，使传感器能够只对目标分析物产生响应。围绕这一过程，预处理、表面修饰、交联、固定和封闭等步骤逐渐形成了较成熟的方法体系。正因为有了这些界面工程，光纤生物传感器得以用于病原体、遗传物质、癌症标志物、心血管相关分子、神经相关标志物以及环境毒素的检测，显示出极强的应用可扩展性。

图4 光纤传感器表面功能化研究，用于开发检测不同分析物的生物传感器

尽管进展显著，文章也明确指出，限制光纤生物传感走向大规模应用的关键障碍依然存在（图5）。第一，重复性和再现性仍然是实验室走向产业化的核心门槛；第二，多通道复用虽然前景光明，但系统复杂度、解调难度和串扰问题仍待解决；第三，在真实样本中，非特异吸附、环境波动和长期稳定性仍会显著影响结果；第四，数据解释正在变得越来越复杂，仅靠传统分析方法已难以充分释放传感器潜力。当前，竞争不单单只是灵敏度，更是材料、器件、界面化学、算法和系统工程的高度整合。

也正因如此，未来的发展方向也越来越清晰。一方面，新材料正在不断推动传感性能的提升；金、银、石墨烯氧化物、氧化锌、量子点乃至超材料等新型功能材料，不仅提升了灵敏度，也在改善界面功能化的稳定性与可重复性。另一方面，人工智能正在成为这个领域的重要助推器。面对复杂光谱、干涉信号和多变量数据，机器学习、深度学习乃至光子神经网络，都有望让光纤生物传感从“测出信号”进一步迈向“直接理解信号”。当传感器、算法、物联网连接和低样本检测能力集成整合，光纤生物传感真正指向的，其实是一个更加实时、个性化、智能化的Healthcare 5.0图景。

图5 光纤生物传感面向应用落地的挑战与推进路线图

总体来看，过去十年，光纤生物传感已从以单一器件演示为主的探索阶段，逐步迈向多技术路线并行、面向真实应用场景持续拓展的新阶段。它不仅在微量检测、实时响应和标签自由识别方面展现出独特优势，也在医学诊断、环境监测与工业过程控制等领域显示出广阔应用前景。与此同时，重复性、多路复用、数据解释、长期稳定性以及规模化制造等问题，仍然决定着这项技术能否真正跨越实验室边界。随着人工智能、先进材料、低样本检测、物联网连接和系统级集成能力的不断发展，光纤生物传感有望进一步成长为下一代智能诊断与连续健康监测的重要技术基础。