具有超高分辨率的M-NCs/M-NPs A/SAM/MEA结构光寻址生化传感器及其生化量检测研究

In this study, fluorsecent metal nanoclusters (size<1.5nm) and metal nanoparticles(size<100nm) array with LSPR property are combined on the micro electrode array to make M-NCs/M-NPs A/SAM/MEA structure based light-addressable biochemical sensors with ultra-high spatial resolution. In this proposal, the sensing theoretical model will be studied first. Then the structure of sensors and fabrication processes will be given and optimized. Thirdly, the new light-addressable biochemical sensors with M-NCs/M-NPs A/SAM/MEA structure and coressponding light-addressable measurement system will be developed for further multi-channel biochemical detections. Finally, the characteristics of sensors will be tested and different biochemical detections will be achieved by our Light-addressable sensors. Compared to traditional silicon-based and QDs-based light-addressable biochemical sensors, the new light-addressable sensor designed by us here have many advantages,such as:ultra-high spatial resolution of sensor chips which will be lower than micrometers to hundreds of nanometers, higher spatial resolution of sensor system, higher sensitivity, faster response speed, lower limit of detection and more detectable biochemical molecules.What's more, it has better compatibility in fabrication and less toxicity in detection, which lead to better practicability. This study could provide new thoughts for multi-channel biochemical detection and nanomaterials based photoelectrochemical sensors.

本研究将具有荧光性质的金属纳米团簇（直径小于1.5nm）与具有LSPR效应的金属纳米颗粒（直径小于100nm）阵列结合在微电极阵列上，形成M-NCs/M-NPs A/SAM/MEA结构的新型光寻址生化传感器。本申请计划在传感模型研究的基础上，对传感器的结构与工艺制作流程进行设计与优化，搭建对应的光寻址生化传感测量平台，最终研制成M-NCs/M-NPs A/SAM/MEA结构的光寻址生化传感器。之后对其传感特性进行深入研究，并利用该系统进行多种生化量的检测应用，验证器件的优越性与实用性。相比传统的硅基或基于量子点的光寻址生化传感器，本申请提出的光寻址生化传感器不仅具有超高芯片分辨率，较高的系统分辨率，更高的灵敏度，更快的响应速度，更低的检测限和更广泛的检测对象等优势，而且具有更好的工艺兼容性和无毒环保等实用性优点。本研究可为多通道生化传感器以及纳米光电生化传感应用提供新的思路与借鉴。

随着生物及医学等领域的快速发展，需要生化传感器具有多通道检测、高灵敏度、绿色无毒、高空间分辨率等特点。为了满足以上测量需求：.首先，使用金纳米团簇、BSA-AgInS2、碳点、CeO2等绿色荧光纳米材料构建了新型的光电化学传感器，来代替含重金属的量子点。结果证明这些纳米材料不仅具有光电化学传感功能，而且具有各种催化性，可对H2O2、DA及GSH等直接进行催化，完成光电化学检测。.其次，通过引入介孔二氧化硅、氧化石墨烯、金纳米棒、银纳米球等纳米材料以及金属纳米阵列，构成异质纳米结构对不同的荧光纳米材料进行了性能的增强。结果显示不同的异质纳米结构具有不同的光电增强性能（可提高20倍以上）和传感增强性能（可提高10倍以上）。基于实验结果，对各种增强机理与传感模型进行了深入的讨论与分析。最终提出了一种具有通用性的增强方法：即将光电性能和催化性能分别增强，从而提高器件的传感性能。.再次，针对生化传感测量需求和纳米材料的特点，研发了不同的芯片制作方法及自组装方法，制成基于异质纳米结构的增强型光电化学传感芯片。之后将光电化学传感系统与显微镜、平移台、光源等部件结合，拓展为光寻址检测硬件系统。基于人工神经网络算法编写了光寻址检测软件系统，对多通道传感信号进行处理（提取、融合和预测等）。通过软硬件的结合，可完成H2O2/DA/GSH、葡萄糖/肌氨酸等多参数生化传感检测，同时对光寻址生化传感系统的性能进行了深入研究：如使用该系统完成酶反应检测的空间分辨率可达2um左右；通过碳点检测GSH的最低检测限可达6.2nM。.最后，使用研究的光寻址多通道生化传感器进行了实际应用：通过H2O2、GSH、DA等生化小分子以及GPC-1等生化大分子的混合检测，实现了对细胞健康状况、心梗、脑梗和肿瘤标志物等生物医学模型的精准研究。.共发表文章14篇，其中SCI一区文章3篇，ESI高被引文章2篇。研究结果为异质纳米结构的光电化学传感器的研究以及光寻址多通道生化传感器的研究提供了新的模型理论、结构设计、制作工艺及应用范围。