生物分子高通量检测用量子点激光微球的制备及多色激光的实现

Biomolecular detection encoding techniques based on the fluorescent properties of quantum dots hold great attention due to the huge application prospective. The applicable techniques are not adequate so far and most of new techniques have problems in reliability, coding capability, and cost. In this proposal, the quantum-dot microbead (QDB) is chosen as a potential tool towards the high-throughput detection of biomolecules on the basis of the lasing property of QDB. The study will focus on three points list below. (1) The reproducible preparation of single color lasing QDB; (2) The simultaneous assembling of bi/tri-color QDB and its effects on the Q-factor and the threhold of lasing; (3) The successive assembling of bi/tri-color QDB with different kinds of inter-layers and its effects on the formation of lasing. The proposed results would provide solid basis for the high-throughput detection of biomolecules and its further applications.

基于纳米量子点的生物分子检测编码技术和方法是值得大力发展的前沿领域，具有重要的应用意义。目前可应用的编码技术在编码能力上不足，新兴的各种技术在可靠性、编码库容量及成本上有着不同的缺陷，使得该领域有很大的发展空间。本项目申请面向生物分子的高通量检测，提出一种利用量子点微球发射激光的特性，通过对多色量子点激光排列组合进行编码的方法，以大大提高检测编码的库容量。项目研究拟以量子点激光微球为研究对象，重点研究量子点在微球表面的组装对微球谐振腔Q因子和激光产生阈值的影响规律。研究单色量子点激光微球的可重复性制备方法；并在此基础上，分别通过双、三色量子点在微球上共混协同组装和逐层组装的研究，探讨量子点尺寸和配比，微球结构和尺寸，量子点在微球上的组装方式，逐层组装时不同类型插层及其结构对激光产生影响规律，最终实现多色激光同时发射。为量子点激光微球在生物分子高通量检测方面的应用提供必要的基础。

基于纳米量子点荧光的生物检测编码技术和方法是值得大力发展的前沿领域，具有重要的应用意义。目前已有的编码技术在编码能力和准确度上存在潜在的缺陷。本项目面向生物分子高通量检测编码应用，针对基于量子点微球发射激光进行组合编码的设想，系统研究了从量子点、微球制备、量子点微球组装到多色激光实现的全过程。.项目实施期间，利用非水溶液热注射法批量合成了粒度分布均一、结晶度高、荧光特征发射波长覆盖了490—640nm、量子荧光效率达到70%-80%的 CdSe/CdS/ZnS核壳量子点。通过纯化、短链表面配体交换后，提高了组装时的堆积密度，获得不同颜色、低ASE阈值的高质量量子点。以具有高折射率的SiO2为微球材料，设计、合成了全实心、全多孔、核壳等多种结构、不同粒径和孔径的SiO2微球作为谐振腔。利用获得的量子点和微球，通过水相静电LBL组装量子点到实心微球，通过溶剂蒸发法、反溶剂法将量子点组装到全多孔微球和核壳结构微球中，考察了不同组装方式和组装条件对最终量子点微球光学增益性质的影响规律，制备出单色、双色和多色量子点微球。此外，还利用SiO2纳米球稳定的Pickering乳液，将量子点的组装过程与微球的形成过程耦合起来，制备了内部包裹了单色、双色和三色量子点的大粒径微球。搭建了以飞秒激光为激光光源的量子点微球激光测试系统，对所得量子点、单色、双色、三色量子点微球进行光学表征，利用测试结果对谐振腔微球制备与量子点组装过程进行反馈并改进。对于所得单色量子点微球，谐振腔为全多孔微球和Pickering乳液微球时均获得了ASE与激光信号，但核壳结构微球仅获得了ASE信号，而实心微球没有获得光学增益信号。对双色和三色量子点微球，全多孔微球和Pickering乳液微球均获得了ASE和激光信号。实验发现，单色量子点微球的制备逐渐成熟，其激光的激发过程也容易控制，但多色量子点微球的制备存在量子点堆积密度下降、不同量子点堆积不均匀的问题。此外，密堆积的不同量子点之间存在能量转移过程，该过程会严重影响多色激光的同时激发。这些问题在项目实施中获得了一定的改善，但仍需进一步从谐振腔结构上优化、解决。本项目关于激光量子点微球的研究成果可为量子点激光微球在高通量生物分子检测方面的应用提供必要的技术基础和材料基础。