基于金纳米棒的高性能微纳传感阵列的结构设计和机理研究

Au Nanorod (AuNR) possesses special localized surface plasmon resonance (LSPR) property. Its LSPR band can be tuned by varying aspect ratio of AuNR, which makes AuNR a potential candidate for miniaturized sensor transducer. Additionally, by controlling the AuNRs arrangement, their LSPR can be coupled, resulting in enhancement of detection performance in order of magnitude. But how to controllable building orderly nanorods array and finding out their coupling mechanism are still key issues for fabricating high performance AuNRs sensor array. In this proposal, we propose to design a kind of controllable orientation AuNRs nano/micro array by combined micro-fabrication and self-assembly methods. Systematically studying how the physical and chemical conditions influence the array arrangement and plasmonic coupling, discovering the specific mechanism of LSPR coupling, to realize the enhancement of detection performance. Finally, we will utilize this fabricated sensor to detect cancer biomarker for early stage cancer diagnosis. The finding and insight of this proposal can aid in the enhancement of detection performance, provide a new molecular detection method, and will extend its application to high sensitivity detection of (bio)molecules and cells.

金纳米棒具有独特的局域表面等离子共振性质，将不同尺寸的金纳米棒作为传感元件可构建微型化的传感器，而金纳米棒的有序排列可使其等离子共振相互叠加，最大化地激发金纳米棒的整体性能，数量级提高检测灵敏度。但目前基于金纳米棒的传感器阵列构建还面临着金纳米棒排列可控性不足和机理不明确的问题。本项目将以微纳加工与纳米棒自组装技术相结合，设计可控有序排列的金纳米棒微纳传感阵列；并系统探讨物理化学因素对组装阵列可控性和等离子共振耦合效应的影响，揭示耦合效应的具体机制；最后将所构建的高性能微纳传感阵列应用于医疗中多重肿瘤标志物的检测，对本项目的技术和理论进行实证。本项目的研究有望整体提升微纳传感技术的检测性能，提供一种新型的高灵敏度、高准确率检测生物大分子的方法，并可广泛适用于其它生物、化学分子和细胞等分析物的检测中。

将金纳米棒有序阵列化是发挥金纳米棒的整体系统性能，构建高性能微纳传感器和引导新型传感器件开发的重要基础。本项目以构建高性能的金纳米棒传感阵列为主要目的，将微纳加工技术、溶液蒸发自组装和化学键合自组装技术相结合实现了不同尺寸金纳米棒的可控定位、定向排列；制作了不同尺寸的微孔和微通道金纳米棒传感阵列；探究了环境湿度、盐离子浓度、纳米棒不同尺寸、浓度、表面电荷以及化学键合对纳米棒组装的影响；实现了抗体分子在金纳米棒传感界面的高活性固定化及同时对不同生物分子的准确检测；比较了不同自组装阵列在光吸收、表面增强拉曼散射光谱和电学导电等方面的性能，探讨了金纳米棒不同排列组装光学耦合效应的机理及应用，为提高传感阵列的检测性能提供理论基础。此外，本项目还在金纳米棒的生物及医疗应用等方面进行了系统研究，发现了所制作的金纳米棒微阵列可引导细胞定向生长，以及在声流体介导下可实现对金纳米棒的精准定位自组装、细胞靶向药物导入和暗场成像。本项目的研究成果为纳米材料的三维组装及新器件研制提供了新思路。共计发表论文7篇，引用27次，申请专利4项。