基于凝胶光子晶体的水相分子印迹技术研究

A molecularly imprinted hydrogel photonic crystal (MIHPC) based on the combination of colloidal crystal templating and a molecular imprinting technique is developed for biomolecular recognition in aqueous media. The molecularly imprinted polymer is synthesized with imprinting template molecule on colloidal crystal templates. After removal of colloidal crystal template and molecularly imprinted template, the resulted MIHPC consists of a three-dimensional, highly-ordered and interconnected macroporous array with a thin hydrogel wall, where nanocavities complementary to analytes in shape and binding sites are distributed. The response of MIHPC to stimulants in aqueous solution are detected through a readable Bragg diffraction shifts, which is due to the lattice change of photonic crystal structure responding to their rebinding to the target molecules. Relationship can be found between the Bragg diffraction shift and the concentration of stimulants. Therefore, this special material is suitable for fabricating sensors, which can hold desirable sensoring properties, and this approach laid out a promising way to detect substances without using label techniques and expensive instruments.

将光子晶体的光子带隙性质与分子印迹技术的特异识别性相结合，能获得具有快速响应性、高选择性、高灵敏性以及可再生的分子印迹凝胶光子晶体传感器。本项目拟制备反蛋白石结构的丙烯酰胺类分子印迹凝胶光子晶体并将其应用于生物分子的分子印迹和传感分析。该类传感器具有丙烯酰胺功能基团，能够通过分子印迹模式实现对生物分子的特异性识别，而且聚合和识别过程都能在水相中完成；基于胶体晶体结构的传感器具有三维有序柔性大孔结构，可以充分保证印迹位点的可接近性和生物分子模板分子扩散的无阻碍性。此类传感器还兼具环境响应性和光子带隙性质，在外界刺激下具有开关效应，不但能够记忆键合形状实现自动识别，而且在结合或释放生物分子以及增加生物分子浓度的同时，伴随光子带隙的位移和颜色的变化，能够实现生物分子的非标记传感。该研究在药物释放、光学开关、生物传感等方面将具有巨大的应用潜力。

本项目首先将分子印迹技术与凝胶光子晶体相结合，并将顺丁烯二酸酐修饰的β-环糊精作为一种新型的功能单体引入其中，在水相中制备了苯丙氨酸印迹的凝胶光子晶体，并探讨了分子印迹凝胶光子晶体对目标分子的响应性和选择性，同时将其应用于实际样品中苯丙氨酸的检测。此外，还创新性地构筑了基于二元和三元络合反应的新型凝胶光子晶体传感器，先制备出具有最佳溶胀性能的固载四环素的凝胶光子晶体，在四环素-铜(II)二元络合反应的基础上，以Cu(II)作为中心离子，利用氨基酸与Cu(II)之间的络合作用，制备了基于四环素-铜-氨基酸的三元络合反应的凝胶光子晶体传感器，实现了水相中氨基酸的快速简便测定，并对其传感机制和响应机理进行了初步探索。最后，以旋涂法和垂直沉积法分别制备了二维（2D）和三维（3D）蛋白石结构聚苯乙烯（PS）光子晶体，以所得光子晶体为模板，通过电沉积的方法构建了2D和3D反蛋白石结构ZnO光子晶体，并进一步研究其在光催化降解有机染料中的应用。本项目的以上相关研究成果在药物释放、光学开关、生物传感等方面具有巨大的应用潜力。