高衍射强度Au纳米颗粒阵列/水凝胶可视化生物传感器研究

2D PS or SiO2 colloidal crystal/hydrogel sensors have disadvantages of weaker optical reponse and lower diffraction intensity, in order to resolve this problem, we propose to use the Au spherical nanoparticles to replace the PS or SiO2 microspheres, utilizing the strong reflecting and scattering feature of Au nanoparticles and the periodicity of Au nanoparticle array, to develop novel Au nanoparticle arrays/hydrogel bio-sensors with strong diffraction and high sensitivity. We also will develop the controllabe fabricating process of Au nanoparticle arrays with large scale and investigate the interface combination between the Au nanoparticle arrays and hydrogel film. Further, we will systematically study the optical diffraction properties of Au nanoparticle arrays/hydrogel bio-sensors with different structure parameters and reveal the synergistic and coupling effect in enchanced optical diffraction between neighboring nanostructure units and relationship with optical properties. The motivation of this poject is developing a new strategy to fabricate Au nanoparticle arrays/hydrogel visualized bio-sensors with strong optical diffraction and high sensitivity, in order to suppy a way to realize their application in future and offer a new idea to use them as bio-sensors to detect the bio-molecules.

本项目针对2D PS或SiO2胶体晶体/水凝胶复合体系传感器的光学响应弱、光衍射强度低的不足和缺点，提出采用Au球形纳米颗粒取代PS或SiO2微球，利用Au纳米颗粒强的反射和散射光学特性以及有序阵列的特点，发展高衍射强度、高敏感特性Au纳米颗粒阵列/水凝胶复合薄膜新型生物传感器；揭示大面积Au球形纳米颗粒有序阵列快速可控组装方法；探索Au球形纳米颗粒阵列与水凝胶薄膜复合的界面结合过程；系统研究不同结构参数Au纳米颗粒阵列/功能水凝胶生物传感器件的光衍射规律，探寻可见光范围内增强光衍射的阵列结构参数及纳米结构单元间的协同、耦合效应等。旨在发展简便实用的高衍射强度Au纳米颗粒阵列/功能水凝胶生物传感薄膜的合成新技术和新方法，为2D有序结构阵列可视化生物传感器的实用化提供近期可实现的途径，为金属纳米结构阵列在生物传感器的应用提供设计思想。本项目工作的开展，不仅具有学术价值，而且有重要的实际意义。

本项目为了克服2D 聚苯乙烯球或SiO2胶体晶体/水凝胶复合体系传感器光学响应弱、光衍射强度低等不足，将具有高光反射和衍射特性的Au球纳米颗粒阵列与功能水凝胶薄膜结合，在新型生物可视化传感器方面取得了重要成果。主要包括：发展了大面积、单层紧密排列的Au 球形纳米颗粒阵列自主装的新方法；发展了高衍射强度、高敏感特性Au纳米颗粒阵列/水凝胶复合薄膜新型生物传感器的可控制备技术；优化了Au纳米颗粒阵列/水凝胶复合薄膜新型生物传感器的结构参数；研究了各个结构参数对Au纳米颗粒阵列/水凝胶复合薄膜新型生物传感器响应性能的影响规律；探究了阵列结构参数与纳米结构单元在增强光衍射强度及敏感性方面的作用机制。最终，实现了在可见光范围内对多种目标分子的可视化探测，并发展了高衍射强度Au纳米颗粒阵列/功能水凝胶生物可视化传感器的合成新技术。这些成果为2D有序结构阵列可视化生物传感器的实际应用提供了解决途径，并为新型可视化生物传感器的设计提供新的思路。