纳米材料增强等离子体共振用于智能手机生物传感器的研究

In this project, we propose on the development of smartphone biosensors based on surface plasmon resonance (SPR). We plan to investigate theoretically and experimentally the effect of various nanomaterials applied for the enhancement of SPR (including propagating SPR and Long range SPR). Based on the nanomaterial-enhanced SPR technology, we will design and fabricate highly sensitive sensor chips with nonfouling properties, and incorporate it with a small accessory including optics which can be easily attached to a smartphone for sensing biomolecules, toxins and others in real samples. The development of the smartphone biosensors in this project will pave a significant way for the achievement of future personal medicine, real-time health detection, environmental monitoring and wearable medical devices.

本项目旨在研究开发基于表面等离子体共振（SPR）的智能手机生物传感器。从理论计算和实验的方法研究多种纳米材料对SPR信号增强的作用（包括传播型SPR和长程SPR）。基于纳米材料增强SPR的技术，我们将制备高灵敏和抗非特异性吸附的SPR生物芯片，设计和开发体积微小便于携带和装卸的手机配件，从而实现利用智能手机完成生物分子、毒素等在实际样品中的检测。该项目对于我国实现未来家庭医疗、实时健康监控和环境监测以及可穿戴医疗设备的开发具有重大意义。

本项目利用表面等离子体共振（SPR）的技术，构建便携的智能手机生物传感器，并用于生物分子和毒素等分子的检测。项目主要进行了如下研究工作：1）利用光栅耦合的SPR技术，开发了SPR芯片，并利用智能手机自身闪光灯作为光源，手机的摄像头作为光谱仪，设计开发了一款智能手机SPR生物传感器。该传感器具有体积小，灵敏度高的特点。其中光栅耦合的SPR芯片具有反射光谱峰宽窄的优势（20-50nm）。我们对该SPR芯片进行表面多肽分子K-13的修饰，用于特异性吸附脂多糖（LPS，一种内毒素），并实现水中LPS的检测极限32.5ng/mL，并在氯化钠静脉滴注液、乳酸钠静脉滴注液和胰岛素注射剂中实现LPS的检测。2）利用棱镜耦合的SPR技术，开发了智能手机SPR成像装置。同样的，该装置利用智能手机的闪光灯作为光源，手机的摄像头作为成像装置。我们在SPR芯片表面制备了阵列，并修饰不同的抗体，同时对多种肾损伤标志物进行检测，如α1-M、β2-M和RBP微球蛋白等。其中RBP的检测极限为37.5ng/mL。3）我们进一步利用金纳米颗粒对SPR信号进行增强，并利用纳米颗粒修饰抗体，利用三明治检测方法，放大智能手机SPR成像生物传感器的检测灵敏度。4）此外，我们利用金纳米孔阵列，研究了局域型SPR和传播型SPR对荧光增强的影响，并用于前列腺癌标记物PSA的检测。其检测灵敏度达到140fM。综上，本项目开发了两种智能手机SPR传感器，利用智能手机本身的闪光灯和摄像头，无需外接电源；同时开发了SPR增强荧光的芯片，最终实现尿液、血清及注射剂中的生物分子和毒素的检测。该项目对于我国实现未来家庭医疗、实时健康监控和环境监测以及可穿戴医疗设备的开发具有重大意义。