生物体的安全与健康一直备受关注, 金属离子存在于生物体内, 并对生物体的健康与疾病有着重要的影响。 人体内环境复杂, 金属离子在人体内具体的作用机理尚不清楚, 因此寻找一种方法可以实现对人体内金属离子的检测对于探索它们在人体内的作用具有重要意义。 分子荧光探针一般由识别基团、 荧光基团和连接基团三部分组成, 主要是利用探针识别基团与金属离子作用, 改变荧光探针的结构, 从而引起荧光性质的变化来检测金属离子。 这些荧光性质的变化涉及到不同的荧光机理, 比如光诱导电子转移机理, 荧光由于光诱导电子转移机理会出现荧光猝灭现象, 可以根据这个机理设计开-关或者关-开型荧光探针; 分子内电荷转移机理由于探针与检测物反应会引起红移或者蓝移, 适合比率型荧光探针的设计。 荧光成像技术因对检测物具有特异的高灵敏识别能力和能够在生物体内实时监测的优点得到了迅速发展, 已经广泛应用于生物体内活性物质的检测, 大量的金属离子探针也被报道。 本文主要根据检测不同种类的常见金属离子如铜离子、 铁离子、 锌离子、 汞离子等, 对他们在生物体中含量作用等做了研究。 综述了检测铜离子的胆固醇类探针、 新型开启式近红外荧光探针, 基于氧化还原特性及把具有独特的Fe2+脱氧作用的N-氧化物基团连接到荧光团上以特异性识别Fe2+机理设计检测铁离子荧光探针, 基于硫羧醛的脱保护反应构建检测汞离子荧光探针, 基于分子内电荷转移荧光共振能量转移效应的锌离子荧光探针, 检测镁离子的喹啉类荧光探针、 检测镉离子的吩恶嗪类荧光探针以及检测铬离子、 锡离子等各类荧光探针, 综述了近三年检测金属离子的不同种类荧光探针的优缺点、 设计机理、 作用机制、 研究进展及生物应用并对未被检测金属离子的荧光探针做了展望。

海洋生物相互聚集形成遮挡现象是误检和漏检的重要原因。为了解决这个问题，提出一种采用样本迭代融合辅助网络训练的海洋生物检测方法。首先，选用改进后的深度空洞残差结构作为特征提取网络，提升了网络的特征提取能力；然后，结合海洋生物图像目标遮挡、密集的特点，改进损失函数避免发生误检、漏检现象；最后，为了进一步解决目标遮挡、数据不平衡的问题，提出样本迭代融合方法，生成模拟图像扩充训练集，提高了网络训练的有效性和对小样本量海洋生物的检测能力。实验结果表明，所提海洋生物检测方法在URPC2018和台湾鱼类数据集上的准确率分别达91.36%和90.27%，检测准确率和速度高于现有目标检测算法。

超材料作为一种具备超常物理性质的人工复合材料, 能够突破常规材料的限制, 为设计先进功能材料开辟一种全新的思路。太赫兹波由于具有光子能量低、对生物物质无电离损害和分子指纹谱等特性, 通过与超材料结合, 可实现对生物物质高灵敏检测, 越来越受到国内外学者的广泛关注。本文总结了近几年来太赫兹超材料传感器在生物分子和细胞检测领域上取得的进展, 首先介绍了太赫兹超材料传感器的传感原理和性能指标, 其次从超材料结构设计、衬底选择、以及与微流控和新材料结合等方面阐述了太赫兹超材料传感器在生物检测领域的发展。通过对超材料结构进行优化、采用低介电常数薄型衬底、结合微流控技术或在传感器上粘附新材料涂层, 可进一步提高超材料传感器的灵敏度, 并丰富其在生物医学检测上的功能。最后, 对太赫兹超材料传感器的发展趋势和前景进行了展望。

金纳米簇是一种制备工艺简单、具有分子级尺寸和量子效应的新型发光材料, 近年来在化学发光检测中得到了广泛应用, 特别是较多应用于体外生物检测。本文综述了金纳米簇化学发光(含电化学发光)体系在体外生物检测中的应用进展。首先, 阐释了金纳米簇的合成方法、结构、性质及其化学发光基本原理; 其次, 总结了国内外近年来基于该体系的体外生物检测研究进展, 并梳理了改善发光强度和检测灵敏度的已有策略; 最后, 对金纳米簇化学发光的未来发展趋势进行了展望。

拉曼光谱是提供物质结信息的强有力工具。 但由于拉曼散射信号弱, 灵敏度低, 因此应用范围受到限制。 而在共振拉曼光谱(RRS)中, 由于激发光源频率落在分子的某一电子吸收带内, 分子吸收光子向电子激发态的跃迁变成了共振吸收, 因此对入射光的吸收强度大大增加。 与常规拉曼光谱相比, RRS能够提高信号强度的106倍。 因此, RRS检测技术以其更高的灵敏度和选择性而具有更广的应用, 特别是在生物学及医学等领域。 如： (1)生物基质中的类胡萝卜素和叶绿素等色素分析; (2)细胞、 蛋白质和DNA等有机物研究以及一些临床疾病诊断。 RRS可以得到在常规拉曼光谱中隐藏的、 更为重要的分子结构信息。 RRS总是在很低的浓度下测试, 且共振拉曼增强的谱线是属于产生电子吸收的基团, 这对于有色物和生物样品尤为重要。 因为很多这类样品的活性部位接近于生色基团, 且研究对象往往是生物大分子的某一部分, 所以在研究生物物质的结构和功能的关系时, RRS起着重要作用。 近年来, 由于光谱技术的发展使得RRS检测技术得到创新与延伸, 如液芯光纤共振拉曼光谱和透射共振拉曼光谱等新技术的应用。 通过对近几年有关RRS技术应用的原始论文、 数据和主要观点进行归纳整理与分析提炼, 介绍了RRS这一专题的历史背景和研究现状, 分别对共振拉曼光谱的色素检测、 生物检测和爆炸物检测等应用领域展开详细的综述, 并介绍了相关新技术的发展应用。 随着光谱技术的快速发展, RRS必将在科研领域拥有其他光谱技术不可取代的重要地位。

微生物检测在医疗诊断、食品安全、发酵工程、微生物科学研究等方面具有重要意义。 微生物检测主要体现两个方面：微生物的判断和微生物生长曲线的测量。微生物的生长通常伴随着一系列与生长量相平行的DNA、酸 碱度等生理指标和CO2、光学厚度等产物指标,这些指标为微生物检测提供了测量途径。其中,通过检测微生物代谢产物CO2, 不仅可以排除死菌带来的干扰,而且能够实现快速、全自动检测,成为微生物检测的主要途径之一。可调谐半导体二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)以其在测量CO2的灵敏度高、 结构简单、技术成熟等优势,为微生物检测提供一种快速、非侵入的新检测途径,对推动微生物检测技术的发展具有重要的意义。 介绍了近几年TDLAS技术及其在微生物(生长)检测领域应用取得的进展。

为了利用可见光激发下半导体拉曼散射信号实现生物检测, 以窄带隙的MoS2材料构建了拉曼免疫标记探针, 用于实现对人IgG分子的高特异性识别。首先, 运用液相剥离法分别获得了MoS2和WS2微米材料, 以加热陈化处理分析了温度对532 nm激发下样品拉曼散射信号强度的影响。之后借助3-巯基丙酸修饰向MoS2材料表面引入羧基, 进而获得了可用于免疫检测的拉曼探针。最后, 以“抗体-待测物-抗体”的三层结构分析了基于MoS2拉曼散射的免疫检测性能。实验发现适当温度下加热陈化处理可增强过渡金属二硫化物的拉曼散射强度(70 ℃下最优)。多组对照实验结果表明, 免疫检测生物芯片的拉曼信号强度随人IgG浓度的升高而升高, 最终趋于饱和, 最低浓度的检测限达到1 fM, 实现了可见光激发下利用半导体拉曼散射信号对目标分子的高灵敏度、高特异性免疫检测。

肿瘤标志物的超敏特异性检测对肿瘤患者的早期诊断和治疗以及增加其存活率具有重要的意义。作为新一代的纳米荧光探针, 稀土掺杂上转换纳米晶具有独特的近红外激发的反斯托克斯上转换发光以及长荧光寿命等特征, 被认为是有机染料、稀土螯合物、量子点等传统荧光探针在肿瘤早期诊疗领域最有应用前景的替代者。本文从上转换纳米荧光探针最基础的物理化学性质如控制合成、表面修饰以及发光物理出发, 系统综述了该类材料在肿瘤标志物上转换体外检测方面的最新进展, 并对其未来的发展趋势与努力的方向作了进一步的远景展望。