神經元作為神經系統的基本結構和功能單位，對大腦功能及認知至關重要。隨著年齡增長或受外部因素影響，神經元會逐漸退化，進而影響大腦功能，嚴重時可導致神經退行性疾�。∟DDs）。NDDs 主要特征為特定腦區神經元的逐漸喪失或功能障礙，常伴有認知能力下降、運動功能受損、行為和心理變化等癥狀，患者獨立性也會逐步喪失。

在眾多 NDDs 中，阿爾茨海默�。ˋD）和帕金森�。≒D）最為常見。AD 的發生多源于腦細胞周圍淀粉樣 β 蛋白（Aβ）和 tau 蛋白的異常積累，最終引發腦萎縮；PD 則與腦干中多巴胺生成減少以及 α - 突觸核蛋白的病理性聚集密切相關。這兩種疾病還存在一些共同的潛在機制，比如蛋白質錯誤折疊、線粒體功能障礙和神經系統慢性炎癥等。

據統計，2024 年美國約有 700 萬 65 歲及以上老人患有 AD，該年齡段人群中約 10% 受其影響。同時，PD 的發病率也在持續上升，美國每年新增病例超 9 萬，預計到 2030 年患者數量將達約 120 萬。盡管衰老被認為是 NDDs 的主要風險因素，但基因突變（如亨廷頓基因變異導致亨廷頓�。┖偷鞍踪|錯誤折疊（如引發朊病毒�。┑纫脖淮_定為致病因素。值得注意的是，約 5% 的 AD 病例出現在 65 歲以下人群中，這表明年齡并非導致這些疾病發生的唯一因素。

隨著生活質量的提升和平均壽命的延長，NDDs 患者數量顯著增加，這給公共衛生帶來了巨大挑戰。例如，約 25% 的人群攜帶與 AD 風險升高相關的 APOE e4 基因。早期研究發現，在 AD 和 PD 等疾病出現臨床癥狀之前，就已形成淀粉樣 β 斑塊、tau 蛋白纏結和路易小體，這凸顯了早期檢測的困難。

目前，臨床上常借助正電子發射斷層掃描（PET）、光學相干斷層掃描（OCT）、計算機斷層掃描（CT）和磁共振成像（MRI）等成像技術評估 NDDs，這些技術有助于了解中樞神經系統的結構、功能及退化情況。此外，便攜式低場 MRI（LF - MRI）等小型化成像系統也用于 AD 診斷，頭戴式多普勒 OCT 等新興系統在 NDDs 診斷方面展現出一定潛力。然而，由于 NDDs 癥狀與正常衰老癥狀存在重疊，且疾病表現具有異質性，臨床診斷標準依然復雜。

生物標志物（包括蛋白質和分子標志物）為 NDDs 的早期篩查、風險評估和提高診斷準確性提供了新途徑。蛋白質和分子生物標志物在其他疾病的早期診斷中已展現出潛力，例如，微小 RNA（miRNA）生物標志物可區分輕度認知障礙與年齡匹配的對照組，靈敏度達 84 - 94%。其他如長鏈非編碼 RNA 和環狀 RNA 等生物標志物也在積極研究中。不過，生物標志物在臨床廣泛應用仍面臨挑戰，主要是其與臨床結果的相關性不一致，且測量技術、檢測方案和診斷閾值缺乏標準化。

光學生物傳感器作為一種有前景的解決方案，能夠實現生物標志物的實時、無創、靈敏且特異性檢測。它通過熒光、表面等離子體共振（SPR）、干涉測量、比色檢測以及基于諧振器（如回音壁模式（WGM）傳感器）等技術，將生物相互作用轉化為光學信號。本文將對這些生物傳感器及其相關生物檢測技術進行綜述，探討其在 NDDs 診斷中的重要作用。

1956 年，Leland C. Clark 開發出氧電極，隨后在 1962 年創造了首個用于葡萄糖檢測的真正意義上的生物傳感器，生物傳感器的概念由此誕生。1975 年，Lubbers 和 Opitz 開發出用于測量二氧化碳或氧氣的光纖傳感器，并引入了 “光電極” 這一術語。此后，物理學尤其是光學領域的進步為生物傳感器的發展開辟了新道路，催生出多種創新型光學生物傳感器，包括 SPR、光纖、干涉、熒光和光學諧振器生物傳感器等。近年來，材料技術和集成技術的發展進一步提升了光學生物傳感器的靈敏度、特異性和實用性，使其在即時檢測和人工智能驅動的診斷等領域得以應用，成為疾病檢測和監測（特別是 NDDs）的重要工具。

比色分析法利用特定分析物引發的可見顏色變化進行檢測，無需復雜儀器。例如，基于金納米顆粒（AuNP）聚集的檢測方法，利用 AuNP 的等離子體特性，當它們與目標分析物或蛋白質相互作用時會發生聚集，導致顏色變化，且顏色變化程度與分析物濃度成正比，該特性已被用于檢測與 NDDs 相關的生物標志物。

同樣，酶聯比色生物測定法（如酶聯免疫吸附測定（ELISA））也用于檢測 NDD 相關生物標志物。ELISA 依賴抗原 - 抗體相互作用，通過與酶結合的二抗和底物產生與生物分子濃度成比例的可量化顏色變化。雖然 ELISA 本身并非生物傳感器，但它是許多光學生物傳感技術的基礎生物測定方法。

由于比色分析法操作簡單、適應性強，已被集成到便攜式、低成本且用戶友好的平臺（如紙基生物傳感器）中。這些系統組件簡單、分析便捷，為實現可及性高、分散化的 NDD 診斷帶來了希望。

熒光生物傳感器的原理因傳感器和檢測方法的不同而有所差異，但它們都依賴于通過檢測選擇性相互作用（如抗原 - 抗體或配體 - 受體結合）產生的熒光來實現高靈敏度檢測。ELISA 是一種常用的基于熒光的生物測定方法，也是一些光學生物傳感技術的基礎。在 ELISA 中，選擇性抗體與固定在包被板上的特定抗原結合。若檢測抗體與酶結合，加入合適的化學底物后會引發反應，產生可測量的熒光信號；若抗體直接標記有熒光團，則無需底物反應即可檢測熒光。通過量化熒光信號強度，研究人員能夠確定樣品中目標蛋白質的濃度。ELISA 被廣泛視為金標準，在藥物療效研究和疾病檢測中應用廣泛。

單分子陣列（SIMOA）是一種先進的數字免疫分析技術，與 ELISA 有相似之處，都依靠抗體捕獲目標蛋白質并使用熒光作為檢測信號。然而，SIMOA 使用的平板上有超過 20 萬個微孔，每個微孔都能捕獲單個順磁性微球。在 SIMOA 檢測中，順磁性微球表面包被有特異性抗體，然后與目標蛋白質和酶混合。這些功能化的微球通過油被隔離到單個微孔中，確保每個微孔中統計上只有一個微球。隨后加入與酶反應的熒光底物，每個微孔內便會產生熒光信號，通過檢測和分析這些熒光信號來量化目標蛋白質。SIMOA 具有極高的靈敏度，能夠檢測到低至飛摩爾級別的目標濃度，并且支持多重檢測，可在一次檢測中同時檢測多種分析物。

成簇規律間隔短回文重復序列（CRISPR）最初是用于細胞中 DNA 序列編輯的技術，在基因治療和疾病治療領域有重要應用。近年來，CRISPR 也被應用于生物傳感領域，通過基于熒光的檢測方法識別和量化目標分子。在這種方法中，將標記有熒光標記的核酸加入到含有樣品、CRISPR 相關（Cas）蛋白和特定向導 RNA（gRNA）序列的混合物中。gRNA 引導 Cas 酶識別樣品中的目標 DNA 或 RNA，Cas 酶結合后會表現出反式切割活性，切割附近的核酸（包括標記的核酸），從而釋放出熒光信號，通過測量該熒光信號可確定樣品中目標分子的準確濃度。由于 gRNA 對互補序列具有高度特異性，且 Cas 酶具有信號放大能力，基于 CRISPR 的生物傳感器靈敏度極高，能夠檢測到低至阿托摩爾級別的目標濃度，而且檢測時間短，非常適合即時檢測應用。

熒光共振能量轉移（FRET）是另一種用于測量蛋白質結合相互作用產生的熒光發射的技術。與依賴單個熒光蛋白的方法不同，FRET 使用兩個熒光團：供體和受體。當供體和受體距離接近（通常在 1 - 10nm 范圍內），常因蛋白質或肽之間的構象變化或結合導致這種情況發生時，會發生從供體到受體的非輻射能量轉移，進而受體發出熒光。供體和受體熒光團之間的近距離相互作用使 FRET 生物傳感器具有高靈敏度，能夠檢測低至皮摩爾級別的濃度，同時對目標分析物具有特異性。

SPR 是一種無標記光譜技術，用于實時監測目標分析物（如化學物質或生物配體）與固定在表面的特異性受體之間的分子相互作用。SPR 的原理是利用光在特定角度與半透明金屬膜相互作用時，自由電子在金屬 - 電介質界面的共振振蕩，使光沿金屬 - 電介質界面傳播。這種耦合僅在特定的共振入射角下發生，且該角度對界面處的局部折射率非常敏感，可通過反射光中的強吸收峰來識別。當目標分析物與固定在金屬表面的受體結合時，會改變界面處的折射率，進而使共振耦合到表面等離子體激元的角度發生偏移，從而實現對分子結合事件的實時跟蹤。SPR 能夠測量低至 0.1 毫度的反射角變化，檢測低至0.1pg/mm2的表面結合蛋白密度。

局域表面等離子體共振（LSPR）是與 SPR 相關的技術，同樣依賴表面等離子體激發，但它是在金屬納米顆粒上進行，而非連續的金屬膜。在 LSPR 中，入射光與尺寸小于光波長的納米顆粒相互作用，激發局域表面等離子體，即納米顆粒內電子的相干振蕩。這些振蕩在特定共振頻率下發生，增強了納米顆粒表面的光吸收和散射，使 LSPR 對局部折射率的變化極為敏感。當分析物與納米顆粒表面結合時，會改變局部折射率，進而改變局域等離子體的共振峰頻率。通過實時監測該頻率變化，研究人員可以檢測分子結合事件。LSPR 通過觀察金納米顆粒在 DNA 雜交過程中的膠體聚集引起的顏色變化，實現了低至 zeptomolar 濃度的檢測限。然而，LSPR 的性能對等離子體納米棒的尺寸、形狀和均勻性變化較為敏感，這可能導致信號重現性不一致。

表面增強拉曼光譜（SERS）是拉曼光譜的一種先進形式，通過放大分子的拉曼散射信號來增強分子檢測。在 SERS 中，金屬納米顆粒的 LSPR 被入射光激發，在金屬表面附近產生強局部電磁場，該增強場放大了附近分子的拉曼散射信號，尤其是在等離子體 “熱點”（如納米間隙和尖銳邊緣）處，顯著提高了檢測靈敏度。SERS 的增強因子（EF）可通過特定公式計算，該增強作用能將拉曼信號放大104到108倍，使 SERS 能夠檢測到低至138fg/mL的 AD 蛋白。

回音壁模式（WGM）諧振器生物傳感器的概念源于聲波在圓形回廊中的傳播現象，聲波在回廊中傳播時能量損失極小。后來這一現象被應用到光學領域，光在閉環諧振器中循環傳播，無需端面反射鏡，在特定波長下發生共振。為實現有效的光學共振，WGM 諧振器需要使用具有低光學損耗、高熱穩定性和機械穩定性且適用于生物傳感應用的材料，常見的有玻璃和氮化硅。在 WGM 光學諧振器中，特定波長的共振對結合到諧振器表面的顆粒非常敏感，這些結合事件會改變光程長度，使共振波長發生偏移。最初，這種波長偏移被認為是由熱光效應引起的，現在已知是由有效折射率的變化導致的。光通過全內反射（TIR）和相長干涉被限制在諧振器內，當顆粒結合到表面時，會擾動光程長度，導致有效折射率改變，使共振波長通常向長波長方向移動。不同類型的 WGM 諧振器（如環、球、微泡和微環面）都用于生物傳感，其中微球、微環和微環面應用最為廣泛。微環諧振器因其易于制造和穩定的波導耦合特性，在芯片集成和流體系統中具有優勢，但光刻技術的限制使其品質因數（Q 因子）較低，光子限制時間比微球和微環面短，從而影響其靈敏度。盡管存在這一限制，由硅制成的微環諧振器靈敏度可達 73nm/RIU（納米 / 折射率單位），由氮化硅制成的則可達 179.7nm/RIU。在生物傳感應用中，微環諧振器能夠檢測低至63.54ng/mL的蛋白質和納摩爾級別的 DNA。與降噪技術結合的環形諧振器能夠實現單分子檢測，并在一分鐘內達到 zeptomolar 的檢測限。通常，光通過光纖以消逝波耦合的方式進入這些設備，最近研究表明，光也可以通過自由空間耦合進入并進行傳感實驗。此外，環形設備能夠在水中產生片上頻率梳，為構建緊湊的識別和檢測平臺提供了可能。

光學生物傳感器在 NDDs 檢測方面具有靈敏度高和非侵入性分析的優勢。以下是其在不同 NDDs 檢測中的具體應用情況。

AD 的典型特征是特定腦區中 Aβ 斑塊和 tau 蛋白纏結的積累，導致神經元死亡和腦萎縮。因此，Aβ 和 tau 蛋白是 AD 檢測的關鍵生物標志物，在多種生物傳感平臺中廣泛應用。

在比色檢測方面，基于金納米顆粒聚集的檢測方法能夠在水溶液中檢測到濃度低至 0.6nM 的 Aβ1 - 40。此外，基于紙基的 ELISA 比色檢測法可在人血漿和緩沖液中分別檢測到濃度為 100pg/mL 和 63.04pg/mL 的 Aβ1 - 42。

ELISA 在體外檢測生物標志物方面應用廣泛。研究表明，AD 患者腦脊液（CSF）中總 tau（t - tau）、蘇氨酸 181 位點磷酸化 tau（p - tau181）和 Aβ - 42 的濃度與對照組存在差異，AD 患者 t - tau 和 p - tau181 水平升高，而 Aβ42 水平降低。另一種與神經元損傷相關的生物標志物 Visinin - like protein - 1（VILIP - 1）在 AD 患者中的水平（506 ± 20pg/mL）也高于對照組。ELISA 還能夠以 1pg/mL 的靈敏度檢測血漿中的 Aβ - 42。盡管 ELISA 在 AD 研究中被廣泛用于檢測多種生物流體中的生物標志物，但研究人員對其檢測低豐度目標的靈敏度和穩定性存在擔憂，不過它仍然是生物標志物定量的重要工具。

近年來，基于 CRISPR 的熒光生物檢測技術的發展提高了對 AD 生物標志物（尤其是 CSF 中的 Aβ40 和 Aβ42）的檢測靈敏度。例如，一項研究開發了一種 CRISPR 輔助適體傳感器，結合了適體對 Aβ 生物標志物的高特異性和 CRISPR/Cas12a - 基于熒光的檢測方法，在 CSF 樣本中對 Aβ40 的檢測限（LOD）達到 1pg/mL，對 Aβ42 的檢測限為 0.1pg/mL。

SIMOA 平臺對檢測關鍵 AD 生物標志物具有高靈敏度，對 Aβ1 - 42 的檢測限為 1.51pg/mL，對 Aβ1 - 40 的檢測限為 4.08pg/mL，對 p - tau181 的檢測限為 0.338pg/mL。此外，神經絲輕鏈（NfL，一種在血液和 CSF 中均存在的神經元損傷生物標志物）在 SIMOA 平臺上的檢測限為 1.6pg/mL。

其他方法（如基于 FRET 的傳感器）對一系列 AD 生物標志物（包括 Aβ 肽、tau 蛋白、早老素 1（PSEN1）和微小 RNA - 125b（miR - 125b））具有高靈敏度。FRET 能夠在腦勻漿中檢測到飛摩爾級別的 tau 蛋白，基于 FRET 的均相時間分辨熒光（HTRF）技術對 Aβ42 的檢測限為 9pg/mL。FRET 還用于研究與早期 AD 相關的 PSEN1，檢測限為 0.517pM，并且能夠檢測參與學習和記憶的神經遞質乙酰膽堿（ACh），檢測限為 0.03226nM。FRET 還可用于檢測與神經元凋亡和 tau 磷酸化相關的 miR - 125b，在 TRIS - EDTA 緩沖液中的檢測限為 416.42pM。

SPR 和 LSPR 生物傳感器在 AD 檢測中也十分有效。SPR 對 Aβ42 的檢測限為 100pg/mL，對 tau44 的檢測限為 14fM，對 p - tau181 的檢測限為 34fM。與 AD 風險密切相關的遺傳因素載脂蛋白 E（ApoE）在 SPR 檢測中，在 10fM 至 1pM 的線性范圍內