基于新型气相敏感器件高灵敏便携式免疫生物传感研究

The combination of molecular biology with new technologies such as microelectronics, optoelectronics, micro-processing techniques and nanotechnology is gradually changing the face of traditional medicine and life science. In view of the disadvantages of the present immune-bioanalysis based on the liquid-phase detection principle, this project proposes a series of novel immune-bioanalytical methods with portable signal readout devices based on gas-phase sensitivity by incorporating highly sensitive gas sensor system and biological molecular recognition system with high selectivity. The proposed methods are simple and portable, particularly suitable for the rapid detection of complex samples. The details are summarized as follows: (i) To develop novel portable immunoassays based on self-established flexible barometers; (ii) To construct novel gas-phase sensitive principles based on paper-based flexible electrode by monitoring the conductivity change with electrical or optical signals direct reading; (iii) To exploit novel non-contacted immune-biosensing protocols by employing the electronic nose as the detection devices with automatic sampling; (iv) To explore novel immune-biosensing schemes based on the change in the fluorescence intensity under the conditions of natural enzymes and the as-produced gas by using fluorescence hydrogel as the detection medium; (v) To create novel visual immune-biosensing strategies based on gas-sensitive photonic crystal thin film.

分子生物学与微电子学、光电子学、微细加工技术及纳米技术相结合，正逐步改变着传统医学和生命科学的面貌。针对目前传统免疫生物分析基于液相检测方法的系列弊端，本项目拟高灵敏气敏检测体系与高选择性生物识别作用为基础，结合多种便携式信号读出技术，设计出系列具有简单、快速、便携等特点的新型气相敏感器件，适合对复杂样品快速高效的免疫生物分析与传感。具体内容：(1) 以自组建柔性气压计作为检测装置，开发新型便携式免疫生物分析新方法；(2) 基于纸基柔性电极，通过电导变化，建立以电学或光学为直接读取气相敏感信号的新原理；(3) 以电子鼻作为检测器件，构筑非接触式自动进样免疫生物分析新策略；(4) 以荧光水凝胶作为检测媒介，通过生物酶催化产气改变荧光信号，构建新型气敏免疫生物分析新技术；(5) 基于气敏光子晶体薄膜，创建新型可视化免疫生物分析新模式。

探索气相敏感免疫分析新模式，减少传统液相检测中繁琐的操作步骤，提高传感器的利用效率、稳定性和重复性，开发操作简便、低成本、高灵敏、便携等特点的信号读出器件，构建小型化传感装置，实现实时在线监测以及快速现场检测。主要研究内容：以负载碳纳米管导电纸基电极制备柔性压力传感器，以气压作为分子识别和检出信号的转换机制，构建新型便携免疫分析法; 采用静态顶空策略，在自发相分离基础上通过敏化薄膜电极对生物分子识别引起的特定气相组分进行监测，建立一种具有可重复使用薄膜电极的非接触式生物传感平台；利用铂纳米催化产气作为生物识别事件和检测信号，构建三维微结构聚吡咯泡沫便携式柔性压力免疫传感新方法；采用砂纸模板制备柔性压力传感基底，组建一种集成柔性压力传感器和电致变色装置相结合的可视化气压型免疫分析；利用双通道压力传感器，以光子水凝胶作为电信号传输单元，结合铂纳米催化产气体系，建立可视化阵列气压型双信号免疫分析传感器；利用三维二硫化锡纳米片作为气敏材料，通过三维静电场模拟和第一性原理，建立光辅助气敏传感界面免疫分析新策略。项目研究成果将在环境监测、临床诊断、农业与食品安全分析、公共卫生和安全等重要领域发挥重大作用，为实现对复杂体系样品灵敏、快速检测提供技术平台，为新型检测方法的开发提供新思路，具有广泛的应用前景和潜在的巨大经济效益。.项目的研究成果主要以学术论文形式进行发表，已在国际权威刊物上发表SCI研究论文近50篇，与该课题密切相关的研究论文 20 篇 (其中影响因子大于5的有 20 篇)，16 篇论文列为高被引论文，1篇论文入选“2019年度中国百篇最具影响力的国际学术论文”；申请发明专利 1 件，授权发明专利 7 件；培养博士研究生7名，硕士研究生8名，其中4名博士研究生和15名硕士研究生获国家奖学金，并邀请国内外知名教授来校讲学和学术交流。