高通量荧光增强生物芯片的纳米周期结构制造

Plasmonic material is an ideal substrate for developing new ultra sensitive biosensing devices due to their unique optical properties tailored by surface plasmon resonance (SPR) coupling. This project is focused on the target of developing new microarray biosensing chips with high throughput, easy integration and ultra sensitivity. SPR is excited by sputtering deposition of metallic thin film on a designed pattern of the periodical nanostructures. The overall proposed research is divided into four interconnected thrusts. The first thrust is to design the periodical structure using RCWA software to calculate the plasmonic properties. The second thrust is to characterize SPR responses using a home made SPR-SPFS set-up and summarize the influence of the parameters of pitch, depth and thickness on SPR coupling efficiency. The third thrust is to construct new biosensing microarray devices through adjusting the optical response, and to achieve an enhanced fluorescence or label free visual detection. The fourth thrust is to develop a new kind of nanoimprint technique including pattern designing, material screening and imprinting for periodical nanostructure. These research efforts will be used to enable the combination of basic research with a real application development. Through the four-year effort of "Develop-Dissect-Direct", we expect to build an innovative program to understand and regulate the SPR responses based on periodical nanostructures coupling effects and establish a correspondingly relevant biosensing chip technique to address the optical, materials, bioanalysis, and diagnostics issues.

金属纳米周期结构具有非常特殊的表面等离激元共振(SPR)特性，是发展高通量、高灵敏生物芯片的理想基底。本项目设计加工图案化纳米周期结构，通过沉积金属纳米薄膜激发SPR，研究用于微阵列分析的、易集成、高灵敏生物芯片的新型制造方法。项目包含四个主要内容：①结构设计；②性质表征；③构建新型传感器件；④建立纳米压印制造工艺。通过理论模拟设计纳米周期结构SPR特性；用自制SPR增强荧光检测装置进行表征；研究表面纳米周期结构的光电特性及其调制过程，实现传感片表面荧光增强的高通量微阵列生物芯片检测；最终建立包括模板加工、材料筛选及压印复制、高通量分析等关键技术方法。本项目将基础研究与开发应用相结合，项目的完成将为新一代生物分析检测技术提供关键材料、器件和制造方法，促进新兴SPR材料学在生物芯片及光电子学的发展，具有重要的学术意义和实用价值。

表面等离激元共振（SPR）材料具有非常特殊的光电性质，是发展新型超灵敏传感器件的理想基底。本项目瞄准高通量、易集成、高灵敏生物传感器件这一目标，设计加工图案化纳米周期结构，创制新型生物传感芯片并进行实际样品的分析检测及其他领域的应用。主要研究成果包括：1. 发明一种ZnO/Au荧光增强微阵列生物芯片及其制备方法，并应用于特征肿瘤标识物CEA的分析检测中，对CEA的检测极限达到27 pg mL-1，远远低于在现有的商业化生物芯片基底上所得到的结果，接近使用ELISA等复杂分析检测手段获得的实验结果，使该检测结果成为新标准，用于评估各类生物传感器性能；设计并制备了一种具有等离激元增强荧光性质的周期结构，并用于CEA的检测，检测极限达到0.36 ng mL-1；2. 设计并制备出具有周期结构的金属纳米颗粒/TiO2纳米管阵列复合材料，并成功应用于光电化学、电化学催化、生物传感器等相关领域；3. 结合石墨烯和SPR技术，开展了一种SPR芯片表面组装和原位电化学还原及表征的新方法，并利用这种现象实现荧光分子表面增强拉曼的应用，研究DNA分子、荧光染料分子与氧化石墨烯（GO）、电化学还原氧化石墨烯（ERGO）的相互作用并分别以此为基底实现对DNA、荧光染料分子、金属离子的超灵敏检测，开创了一系列基于GO/ERGO的分析检测新方法，为各类新型传感器的设计提供了新思路。4. 除此以外，本项目的研究工作中还对各种贵金属纳米颗粒的合成、制备机理进行了探索，并将这些材料成功的应用到了各类电催化、有机催化、生物传感器等领域中，优化各种性能指标，探索反应机理，取得了一系列突破性成果。至此，我们已出色的完成了该项目，取得了多项突破性的成果，在论文引用和各种国内外学术交流活动中受到好评。本项目的完成将为新一代生物分析检测技术的发展提供关键方法和材料，促进生物分析和新兴SPR材料学发展，具有重要的学术意义。在本项目资助下，培养博士研究生13人（5人已毕业，8人在读），硕士研究生18人（8人已毕业，10人在读），培养了20多名本科生在实验室内完成毕论文计和各类校内创新创业项目。共计发表SCI论文22篇，还有多篇正在修改之中，后续还将有多篇研究成果出版。共计申请中国发明专利10项，其中4项已授权。