基于金属纳米颗粒有序点阵光衍射的高灵敏生化传感特性研究

The biochemical sensors based on SPR shifts have disadvantages of lower sensitivity at low concentration of target molecules, in order to resolve this problem, we propose a new idea to develop a sensor with high sensitivity based on the optical diffraction of periodic metal nanoparticle arrays. We will develop a route to prepare highly periodic metal nanoparticle arrays based on the colloidal template,to chemically modify the metal nanoparticle surfaces in order to obtain the good selectivity for target molecules, finally get facile method to prepare the biochemical sensors. We also will systematically investigate the chemical modified route for different target molecules, discover the mechanism of diffraction shift for the target molecules,study the stability of selectivity. The motivation of this poject is developing a new strategy to fabricate biochemical sensors based on the metal nanoparticle arrays, in order to realize the high sensitivtiy for target moleclues with a low concentration. This project provide a new route to devise and prepare biochemical sensors, which have important potentional applications.

本项目针对传统的SPR光学生化传感方法对低浓度探测分子灵敏度低的问题，提出基于金属纳米球有序点阵光学衍射现象，发展高灵敏生化传感的新思路。发展基于有机胶体模板原位生长方法，制备高度有序的2D hncp贵金属纳米球点阵；采用表面化学修饰的方法，使点阵结构对探测目标生化分子的吸附具有选择性，发展新型的高敏感光学生化传感材料的制备方法。系统研究不同探测分子的金属颗粒表面化学修饰方法，揭示目标分子对金属纳米颗粒点阵光学衍射峰位移动影响的物理机制；探索点阵参数的改变对光衍射峰的变化规律，金属纳米颗粒与选择性修饰分子的稳定性及其界面结合性质。旨在发展基于金属纳米颗粒有序点阵的光学生化传感器件的构建方法，实现对低浓度生化分子的高灵敏探测，揭示其敏感机制。该研究为高灵敏的光学生化传感器的设计与研制提供新思路和材料基础，具有科学意义和实用价值。

本项目提出了基于二维非密排金属纳米球有序点阵的表面晶格共振（SLR）特性，成功发展了一种高灵敏的生化光学传感新策略；采用有机胶体晶体模板原位溅射煅烧生长法，制备了大面积、高度有序的二维非密排金纳米球点阵，深入研究了该有序点阵的形成过程、晶面特定生长、以及纳米结构单元对SLR特性的影响规律；进一步，通过表面修饰功能化改性，包括：特定晶面的生长暴露、银沉积修饰以及二元组装耦合增强化等，实现了该点阵结构在低浓度下对不同探测目标生化分子（如：有毒硫化氢、人体葡萄糖、农药残留福美双）的高效选择性吸附，进而产生环境介电常数的瞬时变化，引起点阵SLR光学吸收特性峰位的瞬时移动，构建了一种高灵敏、快速响应的新型光学传感器件；系统探究了针对不同目标分子响应的金属纳米单元表面功能修饰方法，以实现结构稳定和实时有效；建立了不同目标分子与金属构筑单元的界面介电常数的响应关系；揭示了金属非密排有序点阵的宏观表面晶格共振效应对目标分子高灵敏响应的物理作用机制。总之，本项目发展了基于金属纳米颗粒有序点阵的生化光学传感器件的构建方法、实现了低浓度生化分子的高灵敏探测，为新一代高灵敏传感器件的构筑提供了新设计思想，具有重要的科学意义和实用价值。