纳米氧化钼局域表面等离子共振效应的可逆调控及生物分析应用研究

In order to overcome the drawbacks of the reported colorimetric bioassays based on the noble metal nanomaterials in terms of reproducibility, accuracy, linear range, stability, cost, and reuse, in this project, the molybdenum oxide (MoO3) nanomaterials with different size, morphology, dimension, and thickness will be prepared. And the localized surface plasmon resonance (LSPR) of MoO3 nanomaterials will be generated by doping of oxygen vacancy and hydrogen atom from biological reducing agents. Then, the doped MoO3 nanomaterials will be oxidized for dedoping, realizing a reversible tunability of the LSPR in MoO3 nanomaterials. The mechanism of the formation and tunable LSPR will be studied by theoretical and experimental methods. Moreover, the MoO3 nanomaterials will be coupled with enzymatic reactions, enzyme-linked immunosorbent assay, and DNA assay under the amplification techniques to develop colorimetric methods for highly sensitive, selective, low-cost detection of the biomarkers of various diseases such as diabetes, hyperuricemia, acute myocardial infarction, and cancers. According to the study of this project, the shortcoming of the reported colorimetric bioassays may be eliminated, which may be provide an important technology support for the early detection, diagnostic, therapy, and prognostic evaluation of the related diseases.

本项目针对基于纳米贵金属的比色生物分析，在准确性、重现性、线性范围、稳定性、成本、材料重复利用方面的不足，拟制备不同尺寸、形貌、维度及厚度的氧化钼纳米材料；借助酶反应原位产生还原剂与其反应，引入氧空位或氢原子对其掺杂，产生局域表面等离子效应；通过氧化剂处理，补偿氧空位或氢原子被氧化而去掺杂，实现局域表面等离子共振吸收的可逆调控；通过理论和实验研究，揭示局域表面等离子效应形成与调控机制；将其与生物识别反应偶联，通过酶促反应、酶标记抗体或DNA，用于酶法分析、酶联免疫分析和核酸分析，并采用适当的放大技术如核酸杂交连锁反应放大、多酶级联放大等，发展高灵敏、高选择性、低成本的比色生物分析方法，用于检测糖尿病、高尿酸血症、急性心肌梗死、癌症等的生物标志物。通过本项目的研究，将有望克服传统基于纳米贵金属比色生物分析的不足，为相关疾病早期发现、诊断、治疗、预后评估和疗效检测提供技术支撑。

表面等离子纳米材料在传感、光热治疗、光伏、催化及单分子光谱领域均具有重要的应用前景，但传统纳米金银存在成本高、易团聚、表面等离子性质难以可逆调控等问题。针对这些问题，本项目开展了纳米氧化钼局域表面等离子共振效应的可逆调控及生物分析应用研究工作，主要包括四个方面的具体工作： i）表面等离体氧化钼纳米材料固/液相制备方法的设计与实现；ii）纳米氧化钼局域表面等离子共振效应的可逆调控方式及机理研究；iii) 表面等离体氧化钼纳米材料的生物及环境分析应用研究；iv）基于表面等离体氧化钼纳米材料的分子计算体系研究。通过本项目的研究，制备了具有局域表面等离子共振效应的氧化钼纳米材料，实现了局域表面等离子共振效应的可逆调控，并阐明了表面载流子密度是决定其表面等离子效应的关键因素，为实现宽带隙半导体氧化物的性能调控指明了方向。同时将表面等离子氧化钼用于生物与环境分析方法的构建，实现了抗坏血酸、过氧化氢、多巴胺、二价锡离子、亚硝酸根 、银离子、三过氧化三丙酮等疾病标志物和重要分析物的比色可视化检测，且设计与实现了多种逻辑计算。并在Analytical Chemistry等学术期刊发表SCI论文8篇，申请国家发明专利1项，获得中国分析测试协会科学技术奖-CAIA奖二等奖1项。以上工作具有较好的科学价值与现实意义，可望推动新型表面等离子材料的合成与应用，提升人们对表面等离子效应的进一步认识，也将为重要分析物的现场快速检测提供重要的技术手段。