基于新型二维材料改性的超灵敏光波导生物传感器表面研究

The protein adsorption at the interface is a universal yet complicated phenomenon. It enjoys a vital scientific influcence and economic value for the surface scientists to develop an ultra-sensitive optical waveguide biosensor to bring the biological function of the protein and their physiological effects to light. By coupling 2 D material on the sensing surface, the programme aims to solve two problems in the optical waveguide biosensor: 1. To explore the resonance mechanisum of the evanecent field under the total internal reflection condition and the plasmonics in the 2 D materials, especially, the influcence of the quantum confinment perpenticular to the surface. 2. To study the portein adsorption behavior on the 2 D materials coupled sensing surface, specifically, the interaction between the electricity of the surface and the protein. By increasing the optical thickness variation from the protein adsorption, the programe will develop a method to perform the ultra-sensitive biosensing.

蛋白质分子在固相表面上的吸附是一个普遍存在但又极其复杂的现象，研究具有超高检测灵敏度的平面光波导型生物传感器不仅对于人们进一步揭示蛋白质分子的生物功能，理解蛋白质分子的生理作用具有重要的科学意义，同时对于蛋白质组学的实际应用也具有重要的经济价值。本项目拟通过在平面光波导型生物传感器表面耦合新型二维纳米材料，以解决现有平面光波导生物传感器中存在的两个科学问题：1. 探究全反射条件下倏逝场与新型二维材料内等离子体激元的耦合共振机理，特别是垂直于二维材料平面的量子限制效应对倏逝场的影响；2. 在此基础上，进一步研究蛋白质分子与耦合有二维材料传感表面的静电相互作用调控蛋白质分子吸附行为。本项目期望通过改变固相表面的荷电特征来增强蛋白质分子在固相表面上的吸附时光学厚度的变化，实现超高灵敏的平面光波导生物传感。

生物分子在固相表面的吸附是一个普遍但又极其复杂的现象，研究具有超高检测灵敏度的相敏成像生物传感器不仅对于人们揭示生物分子的生物功能，理解生物分子的生理作用具有重要的科学意义，同时对于医疗检测、生物制药也具有潜在的经济价值。.. 相敏成像生物传感器是一种基于椭偏光学及表面等离子体共振的光学生物传感器，具有实时、高通量，对表面膜层敏感等特点。虽然其膜层检测灵敏度可以达到 0.1 nm，但对单分子检测，其灵敏度仍然不足。为构建具备单分子（离子）检测能力的超高灵敏相敏成像生物传感器，须提升现有相敏成像生物传感器的信噪比。为此本研究开展了两项工作：首先，通过在传感表面耦合新型二维纳米材料——过渡金属碳化物放大了生物分子在固相表面吸附的响应；其次，通过分析现有传感测量过程中的噪声源，采用相应的噪声抑制技术，大幅提高相敏成像生物传感器的检测灵敏度，使得相敏成像生物传感器具备单分子（离子）检测的能力。..为此，我们首先利用修饰有 Ti3C2 的相敏成像传感表面结合电势调制，提升了精氨酸在传感表面的吸附，其检测极限达到 0.1 uM，相较于未经修饰的传感表面，检测极限提升了两个量级，较修饰有单层石墨烯的传感表面，检测极限提升了一个量级。这种灵敏度的提升一方面来源于电势调制提升了带电分子在表面的吸附，另一方面对来源于 Ti3C2 中是由Ti-C交替组成的多层“书页结构”在精氨酸等生物分子与材料表面发生相互作用时，其层间距发生改变，从而传感信号得以提升。..为进一步提升相敏成像生物传感器的检测灵敏度，通过分析现有相敏成像生物传感器的测量噪声，我们发现现阶段，测量噪声主要为：(1) 光源的不稳定性；(2) 温度漂移引入的环境噪声；(3) 测量中 CCD 探测暗电流引入的直流本底噪声。针对上述噪声采用相应的噪声抑制技术后，特别是结合由交变电势调制的电势调制型相敏成像传感系统，其检测灵敏度大幅提升，达到单分子(离子)级别。研究发现不同于传统的基于膜层敏感的椭偏技术，电调制型相敏成像椭偏测量方案对单个带电分子或离子在表面吸附造成的表面电子密度的微小改变敏感。