二维材料在许多方面相较于常规材料的优异性能，引发了研究人员对于二维材料的广泛关注。目前二维材料已经成为了各个领域内的研究热点，被广泛应用于生物医学、电子、光电子和催化等诸多方面。本文主要就二维材料在生物医学领域内的光学传感应用做了总结与讨论。主要论述了二维材料的产生和发展、优缺点，基于二维材料的光学生物传感器类型、原理及其制造方法，以及这些传感器在单细胞、RNA、蛋白质分子高灵敏探测技术上的一些成果，并结合这些成果简要分析了利用二维材料的实验方案相较于传统方法的一些优势。最后对二维材料的发展现状做了简要总结，并对其未来发展作出了展望。

乳腺癌是最常见的恶性肿瘤之一,严重威胁着女性的生命健康。现有的治疗手段以传统的手术、化疗和放疗为主,副作用明显。光动力疗法因创伤小、高选择性和可重复治疗等优点,近年来在癌症治疗领域备受青睐。基于此,本课题组设计了一种新型的金属有机框架载药平台,用于乳腺癌细胞的消融。该金属有机框架材料PCN-224既可以作为光敏剂,也可以作为抗癌药物的搭载平台,以此设计的纳米载药平台对乳腺癌细胞具有双重杀伤效果。首先,将抗癌药物MMAE装载到PCN-224中确定药物负载量,然后比较载药材料PCN@MMAE与单独PCN-224材料的治疗效果。结果表明,在同样的光照条件下,该载药平台能够显著增强杀伤效果,且无明显的暗毒性,有效发挥了光动力治疗和化疗的协同作用。

光声成像作为一种新型的生物医学成像技术,其成像过程结合了光学成像的高分辨率以及声学成像的深层组织穿透性能,突破了传统生物医学成像的“软极限”。然而,大多数的肿瘤,尤其是在早期阶段,并无明显的光声对比度,因此,开发出有效的外源性光声成像造影剂至关重要。基于此,研究了一种新型二维材料——锑烯纳米层片(AMNFs),它在300~900 nm波段范围内具有较好的光学吸收性,且具备优异的光热转换效率和光声性能。用此材料作为对比剂,可以实现活体小鼠体内小肿瘤的高质量光声成像。

回音壁模式是光子在一个准二维平面内运动,并不断地在微腔边界发生全反射而不折射出腔的一种光学模式,具有高的Q值和小的模式体积,对外部环境的变化极其敏感。利用回音壁模式可以使宽带荧光实现窄光谱的激光输出。利用掺杂DG(dragon green)荧光染料的聚苯乙烯微球作为回音壁模式光学微腔,通过细胞的吞噬功能,使荧光微球到达细胞内部,利用纳秒脉冲激光进行泵浦,实现了细胞内的回音壁模式激光输出。与在纯水环境中的激光输出相比,细胞内荧光微球回音壁模式的谐振峰发生了红移,且红移量与细胞类型有关,说明可以用回音壁模式实现细胞种类的无标记识别。

细胞激光器是激光光子学和生命科学交叉领域的前沿研究方向,其工作原理是,在流体环境中,将荧光蛋白、生物兼容的荧光染料及荧光素等和细胞有机结合在一起,在谐振腔光反馈作用下使弱信号得到振荡放大实现细胞的激光输出。详细阐述了基于法布里-珀罗腔和回音壁模式微腔的细胞激光器的研究现状和基本原理,由于谐振腔对光信号的反馈放大作用,与传统的荧光信号相比,激光信号能够有效增强传感探测的灵敏度,提高分辨率。通过分析细胞等生物组织中发射激光的光谱和模式等信息来研究细胞内部的生理变化过程,为医学治疗诊断、生物材料三维超分辨成像及可集成光源研究等提供新的技术和设计思路。

当空心微结构光纤纤芯的尺寸和波长相近时, 光在纤芯中的传输大大增强, 并会在纤芯周围产生很强的倏逝场。报道了一种新型的纤芯直径仅为2 μm的空气悬浮芯微结构光纤, 该光纤通过薄片堆积法拉制而成, 具有大倏逝场和微米级孔径的单元结构, 在532 nm波长处的损耗为0.16 dB/cm, 非常适合用于生化物质的传感探测。以该光纤作为传感探针, 结合激光技术搭建了一套简易的荧光光谱探测系统, 使用此系统对纳升量级的生物荧光标记材料CdTe/CdS/ZnS量子点进行荧光探测分析。利用该系统可探测荧光量子点的极限约为1 nmol/L, 相当于3.78×107个量子点, 实现了高灵敏度、快速探测。基于空气悬浮芯微结构光纤的荧光检测系统为量子点标记的生物材料的灵敏检测提供了新的方法和思路。

黑磷（BP）纳米片可淬灭荧光染料的荧光，基于这一特性，合成了可特异性识别人乳腺癌细胞MCF7的脱氧核糖核酸（DNA）适体，并用荧光染料5-羧基荧光素(FAM)将其标记。当BP纳米片与该适体混合时，其荧光被淬灭。而当MCF7细胞存在时，DNA适体由于可以识别该细胞并与之结合，会从BP纳米片上脱离,从而实现荧光恢复。恢复的荧光强度与细胞数量呈线性关系。实验结果表明,利用BP纳米片检测乳腺癌细胞具有高效、特异、灵敏的优势，这一方法可以推广至其他肿瘤细胞的检测。