有序金属纳米结构-阵列纳米通道复合器件增强光电生物分析

Novel methods, technologies, and devices will certainly provide important scientific and technologic supports for understanding the chemistry nature of life. In this project, array nanochannels and ordered metal nanostructures will be coupled to form a hybrid device. In this device, the tunable localized surface plasmon resonance (LSPR) of the ordered metal nanostructures generates enhanced surface electric fields, which in turn enhances the Raman scattering and electrochemical signals. Combining the unique mass transport properties and the ionic current rectification (ICR) effect of the hybrid device, the designed method enables label-free and sensitive detection of biomolecular recognition events with enhanced electrochemical and Raman scattering spectroscopic signals as the transducer. The influence of nanoparticles size, surface property, and assembly modes on the morphology, nanogap and LSPR property of the ordered structure will be investigated systematically. Then the mechanism of LSPR enhanced electrochemical and optical performance will be revealed. The relationship between biomolecular recognition and ICR characteristics will be studied, based on which a series of biomolecular recognition events will be investigated. Using the enhanced Raman scattering spectroscopies which reveal the structure/conformation and electric properties of the biomolecules, the reaction kinetics of biomolecular recognition events will be studied. Realization of the project promises the construction of a practical platform for bioanalysis with high sensitivity, excellent selectivity and good stability, and will promote the development of nanofluidics in the field of bioanalysis.

生物分析新方法、新技术、新器件为人类认识生命的化学本质提供重要的科学和技术支撑。本项目拟将阵列纳米通道和金属纳米粒子有序结构相结合，利用纳米粒子表面等离子体共振 (LSPR) 增强光、电性质，阵列纳米通道的物质输运性质，以及纳流控器件的离子整流特性，发展有序金属纳米结构-阵列纳米通道复合器件增强光电生物分析新方法。项目将系统研究金属纳米粒子大小、表面性质、组装方式等对纳米有序结构形貌、间隙，及其LSPR性质的影响，揭示有序金属纳米结构对电化学、表面增强拉曼的作用规律和增强机制；研究复合器件物质传输性质与生物分子识别之间的关联，实现生物分子高灵敏、无标记识别检测；同时结合光谱变化对生物分子结构、形态、电性等信息进行原位分析，揭示生物分子识别反应的动力学机制。研究成果将为发展高稳定性、高选择性、高灵敏生物分子识别器件提供理论基础和研究范例，同时为纳流控技术在生物分析中的应用起到重要的推动作用。

纳流控作为一种新兴技术，近年来得到了广泛关注。当微通道尺寸缩小到纳米尺度时，由于其特殊的电荷效应和尺寸效应，对流体的输运产生的影响将更加凸显，物质输运过程将显现与宏观和微米尺度下迥异的新特性，单分子与单粒子行为变得明显；同时，纳米尺度下流体流动的连续性理论的适用性以及通道的双电层的影响均需要考虑，因此纳流控装置具有一种独特的离子电流整流（ICR）性质。利用该物质传输性质，可实现系列分析研究，包括已小分子/离子、生物大分子、核酸及细胞的高灵敏识别检测。在本项目的支持下，利用阳极氧化法制备多孔氧化铝（AAO）阵列纳米通道，发展可控制备AAO技术；然后在AAO表面组装功能纳米材料，构建系列不对称纳流控复合器件；利用电化学线性扫描技术 (I-V曲线) 研究复合器件的物质传输性质和ICR特性；研究功能纳米材料的形貌、大小、表面性质，包裹时间等因素对复合器件物质传输性能的影响；研究不同pH、离子价态、离子强度等条件下体系的物质传输性质变化，探索复合器件ICR的产生和调控规律；在上述实验研究的基础上，构建了功能化纳流控生物传感器件，通过化学键合、静电吸附、亲疏水作用、物理吸附等方法修饰固定探针分子；基于分子识别原理，对生物样品中的目标物质进行特异性识别捕获；研究分子/细胞识别前后复合器件的物质传输性质变化，建立光电强度与生物分子/细胞浓度、识别时间之间的关系规律；研究LSPR激发对光电检测信号的增强效果，结合SERS、荧光、暗场散射光谱等原位分析技术，对目标物的性质和反应动力学过程进行实时动态监测，构建高灵敏纳流控生物分析器件，实现包括酶-底物、DNA-DNA、蛋白质-蛋白质/探针、细胞-探针等系列生物分析研究。