近年来，随着智能手机、可穿戴设备和现场快速检测技术的快速发展，微型化光学传感器正加速向便携、集成和智能化演进，并与人工智能（AI）及大数据分析深度融合。AI虽能够高效处理海量传感数据，为智能诊断和决策提供强大的数据分析能力，却无法解决高质量数据的产生问题。对于生物分子、环境污染物等复杂化学和生物目标，检测性能首先取决于光学传感器能否在分子尺度实现高效、选择性识别，并将微弱的分子信息准确转化为可测量的光学信号。因此，无论后端数据处理能力如何提升，传感前端的灵敏度、选择性和信号可靠性始终是智能传感性能的基础。

化学-生物界面正是连接“分子识别”与“光学信号输出”的关键桥梁。由小分子探针、功能聚合物、酶、抗体、核酸及纳米材料等构建的界面，不仅承担目标分析物的特异性识别与捕获，还负责将分子相互作用转化和放大为吸收、荧光、拉曼散射等可检测光学信号。其材料组成、界面结构以及信号转导效率直接决定微型化光学传感器的灵敏度、选择性、信噪比、响应速度和稳定性。因此，在AI与大数据赋能下，化学-生物传感界面的设计与调控仍然是提升微型化光学传感器“传感能力”的核心，也是获得高质量数据、实现可靠智能分析的前提。

近期，中国科学院烟台海岸带研究所海岸带生态环境监测与健康研究组（陈令新研究团队）联合韩国中央大学研究人员，在Science China Chemistry杂志上发表了题为“Chemical-biological interface in miniaturized optical sensors: advances and perspectives”的综述文章。该文系统梳理了微型化光学传感器中化学-生物界面的设计原则、材料体系与器件集成策略，并总结了比色、荧光、表面增强拉曼散射（SERS）、化学发光/电化学发光、表面等离子体共振（SPR）以及微型光谱仪等典型传感器的发展进展，旨在为开发更高效、更便携、适用场景更广泛的微型化光学传感器提供启示。

尽管不同光学传感模式的信号产生机制各不相同，其基本过程具有共性：通过抗体、核酸适配体、分子探针或纳米材料等实现目标物的识别与捕获，并借助界面反应完成化学或生物信息向光学信号的转化。在此基础上，微流控、便携电子设备和人工智能等技术的进一步融合，正推动微型化光学传感器向高度集成、便携检测和智能分析方向发展。

图1 微型化传感器的传感机制、界面材料及其集成策略

在微型光学传感领域，比色、荧光、SERS、化学发光、电化学发光、SPR及微型光谱分析等构成了主要的信号检测模式。其中，比色传感通过目标物与敏感材料相互作用引起吸收、反射或透射特性变化，并最终表现为直观的颜色响应；荧光传感依托分子荧光探针、量子点及功能纳米材料实现高灵敏信号输出；SERS则利用金、银等纳米结构产生的局域增强电磁场显著放大拉曼信号，提供高灵敏的分子“指纹”信息。金属纳米材料、聚合物、分子印迹材料以及纸基、水凝胶等功能材料的引入，进一步提升了不同传感界面的识别与信号转导效率。在此基础上，通过与微流控、微纳光学、颜色传感芯片、智能手机及机器学习等技术融合，传统光学检测正逐步发展为集目标识别、样品处理、信号转导、光学读出和智能分析于一体的微型化、数字化和定量化传感系统。

图2 微型化比色传感中的界面材料设计及便携式检测平台实例

面向未来，微型化光学传感器仍需着力解决界面反应效率、复杂样品中的非特异性吸附、生物识别元件稳定性及器件可重复使用性等瓶颈问题，并通过界面再生、多模态传感、信号捕获优化和系统集成提升整体性能。与此同时，人工智能等技术的引入，将增强信号处理、目标识别、参数优化及远程数据分析能力，推动微型化传感系统由单一检测工具向智能分析平台演进。

论文的第一作者为烟台海岸带所博士研究生相佳雯，通讯作者为烟台海岸带所陈令新研究员、韩国中央大学Jaebum Choo教授、齐骥博士。该研究获得国家自然科学基金、山东省自然科学基金、韩国国家研究基金（NRF） 等项目的资助。

文章信息

Jiawen Xiang, Jiadong Chen, Ji Qi*, Longwen Fu, Zhiyang Zhang, Bowei Li, Dongyan Liu, Jaebum Choo*, Lingxin Chen*. Chemical-biological interface in miniaturized optical sensors: advances and perspectives. Sci. China Chem. 2026. https://doi.org/10.1007/s11426-025-3378-x