纳米多孔薄膜在SPR传感器中的增感作用研究

表面等离子体共振（SPR）传感器在全世界已成为典型的商业化生化分析工具。可是研究表明现有的SPR传感器灵敏度较低，不能直接探测分子量小于100道尔顿(Da)的小分子。因此研究如何提高SPR传感器的灵敏度无论在学术上还是在应用上都具有重要意义。在本项目中，我们从消逝场与物质作用的基本原理出发，提出利用纳米多孔薄膜一方面增大被测分子吸附量，另一方面把表面等离子体波与被测物质的作用深度从单分子层厚度扩展至多孔薄膜厚度，以此显著提高SPR传感器的灵敏度，降低传感器的探测极限，使传感器能够对分子量不足100Da的小分子进行直接探测。同时通过调控多孔薄膜的孔径尝试改善SPR传感器的选择性。我们将对上述内容进行深入研究，给出充分的理论和实验论证，为发展我国超高灵敏度SPR传感器打下基础。

常规SPR传感器灵敏度不足，仅适合于探测DNA、蛋白质等生物大分子而不能直接探测小分子。如何制作只能探测小分子而对生物大分子不敏感的SPR传感器，目前在国际上仍然是一个亟待解决的难题。本项目针对这一难题，提出利用纳米多孔薄膜扩展消逝场作用深度和选择性吸附小分子，从而在增大SPR对小分子灵敏度的同时抑制其对大分子的响应。我们围绕项目任务进行了深入研究，主要成果包括：（1）设计制备了宽带线偏振平行光入射的波长检测型SPR测量平台，为开展实验研究奠定了基础；（2）融合波导理论、菲涅耳公式和Bruggeman介电常数近似方程，建立了多层膜SPR传感器仿真算法，为优化多孔膜增敏的SPR芯片提供了手段；（3）采用分子模板法制备了SiO2介孔薄膜覆盖的SPR芯片，测试了芯片在可见及近红外波段对氨基酸、表面活性剂、重金属离子等小分子的敏感特性。实验结果指出90nm厚的SiO2介孔薄膜可使SPR灵敏度提高6至8倍；仿真结果进一步指出当SiO2介孔薄膜厚度大于600nm时，SPR对小分子的灵敏度将达到极大值而对大分子的灵敏度将趋于零，究其原因是完全约束于多孔层内的消逝场能够与孔内吸附的小分子强烈作用但却无法有效地与孔外的大分子作用。（4）采用胶体旋涂法制备了TiO2纳米多孔光波导共振传感器，对其性能进行了测试和仿真，获得了TiO2多孔薄膜占空比及吸附分子的体积分数。（5）提出溅射-腐蚀两步法制备数纳米至数十纳米厚的多孔金薄膜，克服了他人工作中采用市售金银合金箔片制备多孔金膜时厚度不可调控的缺陷。优化制备的多孔金膜SPR芯片对谷胱甘肽的灵敏度是传统SPR传感器的7倍，对L-半胱氨酸的检测下限达1 nM。（6）首次制备出低成本金银合金薄膜SPR芯片，其光谱灵敏度比传统SPR芯片高出至少两倍。.项目组成员于项目执行期间在J. Physical Chemistry C，Analyst等期刊发表SCI论文15篇，参加国际、国内学术会议11次，作特邀报告2次，邀请报告1次，为“全国生物光子学2010暑期学校”授课1次，邀请国内外专家学者作报告4次，获国际会议张贴报告三等奖一项，申请国家发明专利两项，培养出博士生2人和硕士生4人，1人获国家奖学金、1人获中科院院长优秀奖并被评为中科院优秀毕业生，项目负责人连续两年被评为电子所优秀职工，该项目的顺利完成为研发对小分子敏感的SPR传感器奠定了扎实基础。