新型高灵敏光电化学传感方法研究与应用

The development of the photoelectrochemical (PEC) biosensing has drawn substantial attention. However, in comparison with the electrochemical or optical biosensing, the investigation on PEC biosensing is still in its embryonic stage, and some important challenges and hurdles still remain in the construction of ultrasensitive PEC biosensing interface and the biomolecule recognition process. For example, the photo-to-electrical mechanism and efficiency of the functional PEC interface needs to be enhanced and clarified, the compatibility between the photoactive species and the biorecognition events needs to be optimized, the transduction format of the PEC signal needs further exploitation and development, the sensitivity and specificity of the reported PEC biosensing protocol needs to be improved. To address these problems, on basis of the recent established energy transfer-based ultrasensitive PEC DNA analysis by our group, this project proposes the use of noble nanoparticles as biolabels and investigation the energy transfer mechanism between the semiconductive quantum dots and these biolabels, hence underling a novel PEC strategy for sensing biomacromolecules. Besides, we plan to research on energy transfer-matching semiconductive material, study the energy transfer mechanism e.g. exciton-plasmon interactions in detail, extend the application scope of this method and thereby provide powerful analytical technique and platform for the investigation on life sciences.

光电化学生物传感的发展深受关注，但与电化学或光学生物传感发展历程相比，光电化学生物传感研究还处于起步阶段，在构建高灵敏光电化学生物传感界面和生物分子识别过程中尚存在诸多问题与挑战。如各类光电功能界面的光电转换机制与效率还有待阐明与提高，光电物质与生物识别反应之间的匹配性需要优化，光电信号的传导模式需要进一步探索与发展，现有光电检测体系的灵敏度与选择性还有待提高。本项目针对这些问题，以我们课题组前期所建立的基于能量转移技术的高灵敏检测DNA方法和研究积累为基础，提出以贵金属纳米粒子为生物标记物，研究标记物与半导体量子点光电转换材料之间的能量转移机制，建立高灵敏检测生物大分子的光电化学测试方法。此外，我们计划进一步研发能量匹配的半导体活性材料，深入研究贵金属粒子与半导体材料之间的能量转移机制如激子－等离子体相互作用机制，扩展这种方法的应用范围，为生命科学研究提供有力的测试技术和平台。

在该项目资助下，项目组在构建光电转换界面，发展基于能量转移过程的高灵敏和高选择性的光电化学生物传感方法方面开展了系统研究，取得了一系列有原创性的成果，获得了国内外同行的广泛认可。多方法合成半导体量子点和贵金属纳米颗粒及其性能考察；利用电化学、光谱等方法研究量子点的光电转换过程，揭示转换机理；将生物分子识别与能量转移结合，研究贵金属颗粒与量子点能转移机制；利用能量转移过程，探索不同生物检测体系中能量转移作用过程，扩展了其应用领域，发展了一系列新型分析方法，例如: 基于核酸适配体光电化学能量转移生物传感；基于核酸折叠的光电化学能量转移生物传感；基于银催化沉积的高效光电化学能量转移传感；基于银纳米簇的光电化学能量转移生物传感等。这些工作不仅拓宽了光电化学生物分析的应用领域，更推动了高灵敏生化分析方法的建立，为生命分析领域的拓宽和深化提供了有力支撑。项目组共发表相关SCI论文26篇（其中第一作者/通讯作者23篇），包含Chem. Rev.1篇，Chem. Soc. Rev.2篇（1篇封面论文）；Trends Anal. Chem. 1篇；Anal. Chem.10篇（含1篇邀请Feature，封面论文）；Chem. Commun. 3篇；Nanoscale 1篇（封面论文），Biosens.Bioelectron.4篇；和Analyst 1篇（邀请封面论文）等；申请专利1项；培养研究生3名。