基于金纳米粒子LSPR效应的生物免疫传感研究

Infectious diseases have an enormous threat for public health and state security, the fast diagnoses is a key for the prevention and control of a large-scale epidemic so that to develop the bio-detecting technology and equipment is a urgent need for the application of the early filtration of infectious disease pathogen. On the other hand, as the excellent performance of nano-material, especialy, the localized surface plasmon resonance (LSPR) effect of the precious metals has been become a new and hot research point in the biological sensing field. In this project, combining the principle of moden immunology, the affects of the characteristic parameters of gold nanoparticle such as the structure (size, shape and component) and the dielectric properties (in bulk and surface environment) to the shape of LSPR extinction spectra and the displacement of characteristic extinction peak of infectious disease pathogen are researched for thorough understanding the physical mechanism of LSPR sensing with biological immune. At the same time, the preparation technic process of gold nanoparticle is optimized, the biochips are fabricated by Electron beam lithography and the deposition assemble of Anopore film filtering technology, and the measurement system of high-resolution LSPR spectral is builded up to implement the highly sensitive detection and analysis of the biomolecular immune specificity. This project developes the theory of the LSPR effect of gold nanopartical and the experimental studies of LSPR biological immune sensing, as a important bases of theory and techniques for the development of new optical bio-sensor.

传染性疾病对于公众健康和国家安全具有巨大威胁，传染病的快速诊断是防治和控制大规模传染病流行的关键，迫切需要研发传染病病原体早期筛查的生物检测技术和仪器。另一方面，由于纳米材料的优异性能，特别是贵金属纳米粒子的局域表面等离子体共振(LSPR)效应，在生物传感领域的应用成为新的研究热点。本项目通过研究金纳米粒子的结构（大小、形状和组成）及其介电性质（整体和局域介质环境）等特性参数对传染病病原体的LSPR消光光谱形状和特征消光峰位移的影响，结合现代生物免疫学原理，深入理解LSPR生物免疫传感的物理机制。同时，优化金纳米粒子制备工艺，利用电子束刻蚀和Anopore膜过滤沉积组装制备生物芯片，搭建LSPR光谱高分辨率测量系统，实现高敏感度生物分子免疫特异性的检测和分析。本项目开展金纳米粒子LSPR效应的理论研究和LSPR生物免疫传感的实验研究，为新型生物光学传感器件的开发奠定重要的理论和技术基础。

随着人口结构的变化，我国公共卫生的重点正由疾病医治向提高公众健康转变，给医疗卫生资源和服务供给带来巨大挑战，迫切需要研发适合公众健康早期筛查的生物检测技术和仪器，这不仅是快速防治和控制流行性疾病的关键，也是我国公众健康和国家安全的需要。本项目根据纳米材料的优异性能，特别是贵金属纳米粒子的局域表面等离子体共振(LSPR)效应，开展基于金纳米粒子LSPR效应的生物免疫传感研究。通过研究金纳米粒子的结构（大小、形状和组成）及其介电性质（整体和局域介质环境）等特性参数对其LSPR消光光谱形状和特征消光峰位移的影响，结合现代生物免疫学原理，深入理解基于金纳米粒子LSPR效应的生物免疫传感的物理机制。同时，优化金纳米粒子制备工艺，利用自下而上的化学方法和自上而下的物理方法（如电子束刻蚀技术）制备贵金属纳米探针和纳米结构基底，搭建LSPR光谱高分辨率测量系统，实现高敏感度生物分子免疫特异性的检测和分析，为新型生物光学传感器件的开发奠定重要的理论和技术基础。.在理论研究方面，根据MIE散射理论，应用FDTD和FEM方法对多种纳米金结构的LSPR特性和Fano共振特性进行研究，并采用表面等离子激元杂化模型对其LSPR和SERS特性的机理开展了研究。同时，通过设计带增益介质的纳米金结构，提出了一种有效的基于表面等离激子受激辐射放大(spaser)的纳米体系，其spaser光学特性研究对于应用增益性型金纳米结构的SERS效应实现生物单分子探测具有指导意义。.在实验研究方面，开展了多种基于金纳米粒子LSPR效应的生物传感研究。采用化学方法，合成制备了多种贵金属（金、银）纳米结构，测量在激光作用下的LSPR特性和SERS活性，开展FEM数值研究，贵金属纳米结构的SERS增强因子达到10+6-10+7范围。同时，应用电子束刻蚀技术制备了不同形貌的金纳米阵列，对其光学特性进行了实验和理论研究，也展示出优良的LSPR特性和SERS活性，SERS增强因子高达10+7。设计和制备的具有高局域电场增强的金纳米结构提供了生物传感和成像方面应用的良好前景。