新型异质结构纳米棒阵列的选择性荧光增强特性及多目标传感应用研究

Selective fluorescence sensing has become particularly appealing very recently in a large variety of fields, such as biomedical diagnosis, environmental monitoring, and so on. It has been demonstrated that, significant enhancement on weak fluorescence signals and/or the subtle variation can be realized by specific fluorescence-enhancement platforms (FEPs). However, selective and multi-target fluorescence sensing by designing and optimizing FEPs remain unexplored hitherto. In this project, we propose to design a series of novel heterostructured nanorod arrays as the FEPs, integrating oxides nanorods owning multi-mode wave-guiding properties with a high light-reflection metal film and a porous silica shell, systematically investigate the impact of various factors of the FEPs, including the structure, configuration, composition and assembly, on their selective fluorescence enhancement properties, and explore in-depth the underlying mechanisms based on the multi-mode wave-guiding effect and the FEP-phosphor energy/charge transfer. Our work are directed not only on ultra-high sensitive single-target sensing and/or highly selective multi-targets detection of phosphors, but also their practical sensing applications on antigens, antibodies, water pollutants, and other complicated sensing systems. This work may provide a fertile ground for developing smart chips of highly sensitive and multi-target fluorescence sensing.

选择性荧光探测在生物医学诊疗和环境检测等领域有着至关重要的应用。研究表明，荧光增强基底可显著提高微弱及微弱变化荧光信号的探测能力，具有广阔应用前景。但是，通过设计和优化基底的结构和组分，来实现其对不同荧光体的选择性增强并应用于多目标传感探测的研究至今仍为空白。本项目拟设计系列异质结构纳米棒阵列，将具有多模光波导特性的多种氧化物纳米棒阵列与具有光反射特性的金属膜和多孔二氧化硅壳层结合，作为新型荧光增强基底，系统研究基底构型、组分和组装模式对于其选择性荧光增强特性的影响。基于多模光波导效应以及基底材料与荧光体之间的能量或电荷转移揭示基底选择性荧光增强特性的机制，实现单目标的高灵敏度和多目标的选择性荧光增强探测，并通过探测抗体抗原、水污染物等重要体系证实其多目标传感探测的实际应用性能。这一研究将为研发具有超高灵敏度的多目标生物化学传感芯片提供新的途径，具有重要的科学意义和应用前景。

通过设计和优化荧光增强基底结构，实现荧光增强基底的性能提升和选择性荧光增强，进而应用于生物医学诊疗和环境检测等领域的高灵敏度传感具有重要的科学意义和实际应用价值。本项目侧重于研究氧化锌纳米棒的多模光波导效应、多种基底组成材料的协同增益效应以及基底材料与荧光体之间的相互作用，借助微加工及多种纳米材料气相和液相制备技术深入探讨异质结构纳米棒阵列的构型、组分和组装模式对于其荧光增强性能的影响，揭示相关构效关系和机理，实现Au层/ZnO纳米棒基荧光增强基底、Ag层/ZnO纳米棒基荧光增强基底、Ag层/ZnO@SiO2纳米棒基荧光增强基底、TiO2纳米棒基荧光增强基底等多种新型异质结构荧光增强基底应用于癌胚抗原、白细胞介素、金属离子等多种探测目标的高灵敏度、高选择性的荧光探测，服务于癌症诊疗、水环境治理等多个领域。.本项目各项研究工作进展顺利，依照本项目的研究计划和实验方案以及经费预算，达成了项目研究目标和预期研究成果，取得了多项较为重要的研究进展，并在人才培养和学术交流中有所收获。基于项目研究进展，目前已经在Nature Communications、Nanoscale、Biomaterials、Applied Surface Science等高水平期刊发表SCI论文9篇，其中项目负责人作为通讯作者的论文有8篇；论文他引合计250余次；获授权国家发明专利2项；已培养5名博士研究生获得博士学位，6名硕士研究生获得硕士学位，正在培养博士研究生4名和硕士研究生2名，其中2名博士研究生预期在2022年毕业。依托于该项目多学科交叉及理论实验相结合研究，课题组与丹麦、英国、美国等多个海外知名高校课题组以及国内中科院物理研究所、国家纳米科学中心、中科院城市环境研究所、北京计算科学研究中心、哈医大等高水平科研院所和高校的课题组建立了紧密的科研合作关系。