可挠性荧光聚芳醚腈／纳米金薄膜生物传感器的制备与性能

A series of fluorescent polyarylene ether nitriles (F-PEN) polymers with glass transition temperature of 200 °C – 250 °C are synthesized via the nucleophilic aromatic substitution polymerization of 2, 6-dichlorobenzonitrile, phenolphthalein and phenolphthalin. F-PEN films are fabricated by solution casting and their visible light transmission is tested at different film thicknesses. By using vacuum physical vapor deposition of gold followed by thermal annealing, the Au NPs of controlled morphology and uniform dispersion are prepared on the surface of F-PEN film to obtain F-PEN/Au NPs composites, where the antibody is immobilized via the thiol compound as an immunosensor, to specifically detect the target antigen molecules. The optical, thermal and mechanical properties of F-PEN film are systematically characterized to elucidate the influence of PEN molecular structure on the Au NPs fabrication process. The thermal annealing is optimized to control the embedding depth of Au NPs inside F-PEN film, in order to clarify the interaction between Au NPs and fluorescent PEN molecules. A novel signal transducing and amplification for biochemical analysis, based on localized surface plasmon resonance coupling of Au NPs, is developed via selective biofunctionalization of organic-inorganic composites, therefore, a flexible polymer nanocomposite film with optical biosensing functionality is obtained.

以酚酞啉、二氯苯腈为原料，合成一系列玻璃化转变温度在200-250°C范围内的荧光性聚芳醚腈(F-PEN)，采用溶液流延法制备F-PEN薄膜并研究薄膜厚度与可见光透过率的关系。以该薄膜为基底材料，通过真空物理气相沉积结合退火热处理，大面积制备具有形貌可控、均匀分布纳米金粒子(Au NPs)的F-PEN/Au NPs复合薄膜，使用巯基试剂对其表面进行抗体分子固定，设计用于目标分子特异性检测的免疫传感器。对F-PEN薄膜的光学、热学及力学性能进行全面表征，探索F-PEN结构性能对纳米金大面积制备的影响因素。优化退火热处理条件，实现Au NPs在F-PEN薄膜内部的可控包埋，揭示纳米金对聚芳醚腈荧光特性的影响。通过对有机无机复合功能材料界面的选择性生物功能化，开发新型的基于纳米金局域表面等离子体共振及其耦合效应的信号转换与放大的生化分析方法，获得一种可挠性的高分子纳米复合薄膜生物传感器。

生物传感器是一类可特异性定量分析待测目标浓度的器件总称，其中以贵金属纳米结构局域表面等离子体共振（Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR）效应为基础的无标记生物传感器，被认为是实现痕量蛋白质分子特异性检测的理想选择之一，但目前关于柔性基底LSPR生物传感器宏量制备方法的报道仍然极为有限。因此，本项目设计合成了无定型荧光聚芳醚腈并制备了具有高玻璃化转变温度的透明薄膜，然后通过真空物理气相沉积与后热处理在聚合物薄膜表面制备平方厘米尺寸的贵金属纳米阵列并进行生物功能化，实现了对蛋白分子的特异性检测，经过三年的研究工作，已圆满完成项目的研究内容，达到预期目标。具体而言，合成了系列侧链羧基化聚芳醚腈，全面研究了分子链结构与分子量分布对聚芳醚腈溶液及固态荧光性能的影响，明确了聚芳醚腈溶液荧光性能调控机制。采用物理真空气相沉积在聚芳醚腈薄膜表面制作贵金属纳米阵列，优化实验参数，实现了纳米阵列形貌与局域表面等离子共振性质的精确调控。运用多种界面化学方法，实现生物识别单元在聚芳醚腈/纳米金表界面的有效固定，获得可用于前列腺特异性抗原（PSA）检测的柔性生物传感器。依托项目自行设计了可进行固态柔性薄膜透射及荧光光谱的高精度显微光谱系统，测试结果表明制备的柔性传感器可实现nM浓度的PSA特异性检测，为发展高通量柔性生物传感器提供了新的制造与测试方法。在国家自然科学基金的资助下，已发表SCI论文13篇，其中9篇发表在包括Journal of Materials Chemistry C, Sensors and Actuators B:Chemical, Macromolecular Rapid Communication, Applied Surface Science等在内的JCR一、二区期刊上。申请中国发明专利1项。参加国际及国内学术会议15人次，并做大会邀请及分会报告。培养硕士生4人，协助培养博士生2名，硕士生3名。项目负责人入选2016四川省“千人计划”。综上所述，结题项目达到预定的各项考核指标，同时在项目执行期间，项目组进一步拓展了超支化酞菁锌及半导体量子点与聚芳醚腈的相互作用研究，目前已发表多篇SCI论文，相关研究成果为后续研究工作的开展奠定了坚实的基础。