核酸光子晶体水凝胶生物传感技术研究

The responsive hydrogel photonic crystal (RHPC) sensing technology is one of the emerging research directions in the field of visual analysis and detection. However, there are some disadvantages such as low selectivity and difficult to fully control the wavelength of visible light in response. In this project, we intend to dope with large size molecules and combine with the advantages of high selectivity of aptamer to build development novel responsive nucleic acid hydrogel photonic crystal sensor. Specific: 1) to explore the regulation of particle size and refractive index, synthesis of uniform monodisperse microspheres and preparation of an ordered and non-defective photonic crystal substrate; 2) build responsive nucleic acid hydrogel photonic crystal sensor, research the formation mechanism of hydrogel, adjustment mechanism of response wavelength and explore the key factors that affect the performance of hydrogel; 3) design nucleic acid adaptor chain with biotoxin as target to develop a rapid, high specificity, visualization and wide applicability of hydrogel sensor, establish a reliable and simple sensing method for detecting biotoxins and applied to the detection of actual samples. In summary, this research will provides an excellent ideal for developing specific recognition and wavelength controllable photonic crystal sensors, can promote the development of photonic crystal optical sensing technology, to provide a new and effective monitoring method for food security.

响应性光子晶体水凝胶传感技术是目前可视化分析检测领域的新兴研究方向，但目前的高分子响应性光子晶体水凝胶普遍存在选择性不高、响应波长难以完全控制在可见光区域等问题。本项目拟掺杂引入大尺寸分子并结合核酸适配体特异性识别的特点，发展新型响应波长可控及高选择性的光子晶体核酸水凝胶传感器。将开展下列工作：1）探索粒径及折射率的调控规律，合成均一的单分散性微球，研制有序且无缺陷的光子晶体基底；2）构建响应性光子晶体核酸水凝胶，研究水凝胶的成膜机理与响应波长调节机制，探索影响水凝胶传感性能的关键因素；3）以生物毒素为目标物设计核酸适配体链，发展快速、高特异性及可视化的水凝胶传感器，并用于实际样品的检测。这项研究工作为发展特异性识别以及波长可控的光子晶体传感器提供了一种新的思路，将极大地推动光子晶体光学传感技术的发展，为食品安全提供一种有效的监测手段。

响应性光子晶体水凝胶传感技术是目前可视化分析检测领域的新兴研究方向，但目前的高分子响应性光子晶体水凝胶普遍存在选择性不高、响应波长难以完全控制在可见光区域等问题。本项目在前期光子晶体传感技术的研究基础上，将核酸适配体的高度特异性与光子晶体的光学特性相结合，实现了二维及三维响应性光子晶体-核酸水凝胶传感器的构建，并成功应用于实际样品中黄曲霉素B1的灵敏检测，同时对相关的光学传感材料与传感技术进行了拓展研究。.课题组主要围绕光子晶体-核酸水凝胶传感器的构建及应用研究，制备了二维及三维的光子晶体-核酸水凝胶。通过对颗粒粒径及折射率的调控，实现了有序且低缺陷光子晶体基底的制备。并利用核酸适配体的特异识别性提高该传感器的选择性，选取富C序列为DNA交联链，开展了基于核酸适配体的双网络光子晶体-核酸水凝胶的传感研究，实现了pH，Ag+以及Cys的三重响应。利用显微光谱系统的特性，将Ag+/Cys的浓度与光子晶体-核酸水凝胶的反射光谱相联系，实现了0.5-20 uM 范围内Ag+/Cys的分析检测。此外，基于核酸适配体的特异性，该水凝胶传感器对Ag+/Cys展现出良好的选择性。..为进一步提高光子晶体-核酸水凝胶的检测限，实现目标物的超灵敏可视化检测，引入核酸适配体的特异识别性及HCR信号放大技术，构建新型的双网络可视化光子晶体-核酸水凝胶传感器。实验结果表明，在20 nM - 2 uM的浓度范围内，该水凝胶对黄曲霉素B1具有良好的检测能力，且在 20 - 500 nM范围内，水凝胶内部PS颗粒的间距与黄曲霉素B1浓度呈良好的线性关系。通过与之前的水凝胶相比较，基于HCR的光子晶体-核酸水凝胶传感器的检测下限提高了约25倍，可有效满足实际样品中黄曲霉素B1的检测需求。该方法摆脱了对复杂光谱仪器的依赖，极大的简化了检测流程并降低检测成本。