随着生活水平的提高和医学技术的进步，人类的平均寿命不断延长。然而，环境污染、食品安全问题、医疗服务的不平等以及生活方式的改变等因素导致了疾病发病率和死亡率的上升。根据世界卫生组织的统计，2021年全球死于各种疾病的人数达到惊人的6680万，对人类健康构成严重威胁。
微光纤（Optical Microfiber）生物传感器已成为生物医学领域的一项革命性技术，为生物标志物检测、健康监测和疾病治疗提供了优异的灵敏度、特异性和多功能性。
据麦姆斯咨询报道，近日，暨南大学光子技术研究院孙立朋副研究员科研团队在Advanced Sensor Research期刊上发表了题为“Optical Microfiber Biomedical Sensors: Classification, Applications, and Future Perspectives”的综述文章。该综述根据其基本原理探讨了各种类型的微光纤生物传感器，并强调了其在生物医学发展中的关键作用。此外，该综述还详细研究了微光纤生物传感器在应用中面临的最新进展和挑战，为生物医学领域未来的发展方向、潜在突破和需要解决的障碍提供了见解。
微光纤生物传感器工作原理分类及其潜在应用
I 原理和分类
微光纤通常是通过将现有的传统光纤拉成锥形或从材料中拉线来制成的，直径可拉细至微米甚至纳米级别。随着微光纤直径的减小，波导附近的倏逝场逐渐增大，同时导致表面场的增强。尺寸更小的微光纤生物传感器可提供更大的敏感表面积和敏感体积，而样品消耗量更低。因此，微光纤被用于：i）提高灵敏度。大的倏逝场可以增强光的相互作用，提高微光纤生物传感器的灵敏度。ii）近场耦合。微/纳光纤的超低表面粗糙度使其能够以很大比例（例如> 90%）支持倏逝场低损耗传输，有利于增强微光纤与其它结构之间的近场耦合。因此，具有紧凑和柔性结构的微光纤与其周围介质表现出强烈的相互作用，并在生物医学应用中得到广泛研究。
基于其特定的工作机制和结构特征，微光纤生物传感器可分为：i）干涉型微光纤生物传感器，其使用微光纤作为干涉仪或干涉仪的组成部分。ii）微光纤光栅生物传感器，其中刻在微光纤上的光栅赋予传感器更紧凑的结构和更高的灵敏度。iii）谐振腔微光纤生物传感器，其采用微光纤作为耦合波导来激发或收集来自高Q回音壁模式微谐振器的光。iv）双锥形微光纤生物传感器，其最大程度地利用微光纤的广泛倏逝场，并以强度损失作为检测信号。每种微光纤生物传感器都具有独特的性能属性，适用于不同的医疗应用。
干涉型微光纤生物传感器
双锥形微光纤生物传感器
II 应用
集成到可穿戴设备中的微光纤生物传感器在健康监测中展现出多种应用。它们可以持续跟踪心率、血压、脉搏波形、心音、心肌收缩力、呼吸频率、呼吸暂停等重要生理参数，如下图所示。此外，它们还评估关节运动、肌肉活动、体温、皮肤振动和声音。通过提供全面和实时的健康数据，这些传感器促进了个性化的健康管理、早期疾病检测和预防。它们还在慢性病管理、老年人健康监测、儿童生长跟踪和睡眠质量评估中发挥着关键作用。
微光纤生物传感器在健康监测中的应用
微光纤生物传感器在肿瘤诊断和治疗中具有创新价值。利用其光学特性和纳米材料的光热效应，它们可以实现对肿瘤标志物和细胞的高灵敏度检测。凭借精确的靶向治疗能力，它们可以最大限度地减少对正常组织的损伤。此外，一些微光纤生物传感器集成了检测、光热治疗和药物释放等多种功能，在疾病治疗中提供了一定的辅助作用，实现了肿瘤的综合诊断和治疗。这些研究成果为癌症的早期诊断和有效治疗提供了新的途径，凸显了其在疾病治疗中的临床应用潜力。
微光纤生物传感器在疾病治疗中的应用
III 未来展望与挑战
展望未来趋势，微光纤生物传感器将通过把诊断与治疗相结合，与可穿戴设备、物联网技术、机器人技术、机器学习（ML）、和人工智能（AI）技术相融合，彻底改变医疗保健行业。下一个关键步骤是探索它们对医疗服务的变革性影响，并应对随之而来的挑战。下图展示了物联网中智能微光纤传感系统的示意性框架，该系统无缝集成了数据采集、信号处理、传感器以及活动识别和分类功能。
微光纤传感系统和网络
微光纤生物传感器通过与AI技术的深度集成和智能算法的支持，显著提高了测量精度、稳定性和实时数据分析能力。然而，随着技术的不断发展，出现了一些需要解决的挑战：i）检测优化：减少非特异性吸附，优化程序以提高速度和准确性，并通过创新和规模化降低成本。ii）传感器层稳定性：增强传感器层对环境因素的稳定性，开发新的表征方法。iii）多参数：开发连续监测传感器和多功能传感器，实现多参数同时检测。iv）信号处理和数据挖掘：创建有效的算法并应用数据挖掘来提取有价值的信息。v）集成化和小型化：利用先进的集成技术实现高度集成，开发小型化传感器，提高精度。
总而言之，本文综述了微光纤生物传感器的分类、应用现状及未来前景。传感器设计和纳米材料的创新提高了它们的灵敏度、特异性和适用性，为临床实践铺平了道路。随着物联网和人工智能的进步，下一代微光纤生物传感器系统集成了多种技术，在商业化和个性化医疗保健方面表现出强大的竞争力。这些系统影响治疗策略，为医疗创新注入活力和潜力，引导我们进入一个智能关怀与人文关怀并存的精密高效的医疗时代。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adsr.202400185
延伸阅读：
《可穿戴传感器技术及市场-2025版》
《传感器技术及市场-2024版》
《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》
