智能光响应高通量检测芯片制备与分析方法研究

Current multi-analytes chips are limited with requiring numbers of sensors, complex synthesis and compound screen. It is expected to develop new principles and techniques to achieve high-performance multi-analytes testing with facile sensors.Utilizing interconversion of photochromic materials, we design and perform multiplex metal ions sensor array containing only one spirooxazine molecule as selective and cross-reactive sensing element. Based on the multi-state of photochromic sensor coordination in various light or stimulation irradiations, it can offer abundant chemical information of the sensing process and be capable of discriminating among vast different analytes. With theoretical and experimental analysis, we could confirm and contribute the totally new method for the multi-analyte sensor chip design. The further study will perform electro-, magnet-, thermo- and pH stimulating materials to the high-throughput sensing chip. Utilizing abundant chemical information in interconversion, the stimulative response sensor chip will carry out the high-performance multi-analytes detection by one sensor. The facile stimulative multi-state sensor microchip will open new opportunities for the development of advanced discriminant analysis for complex analytes.

目前传统多底物检测芯片需要多个或多种不同化合物来构建芯片，来提供足够的化学信息实施高通量分析。为解决传统化学传感器响应性单一、传感器阵列芯片对响应化合物的量和种类需求大的问题，以及传统检测芯片静态的分析方法，通过引入光致变色分子智能响应材料到传感器阵列，利用光致变色过程中的不同分子状态，在不同光刺激条件下传感器分子对底物的不同识别信号，提供丰富的信息量，开发芯片的动态分析方法，以实现单一传感器分子对复杂多底物的高效差别分析与识别。以光致变色材料为基础，开发光控响应开关的智能多元分析芯片及新的光开关芯片高通量多底物分析方法；并进一步研究以电、磁、热、pH等外场响应材料为基础的智能响应高通量分析芯片与方法。新型智能刺激响应芯片及其高通量多底物分析，将从方法学上提升高通量多底物检测与分析的效率，同时大大地降低成本，为发展高效化学和生物传感器提供新的思路、方法与工艺。

现有的多元辨别分析方法，数据采集与处理过程还相对复杂，基于正交阵列的器件设计还相对单一，与现有终端设备没有实现整合。提高复杂体系中多元靶标辨别分析的分辨率、检测灵敏度，与实现器件实用便捷性，是多元辨别分析研究以及生物复杂体系应用推广的关键科学问题。本研究针对这一关键科学问题，在光致变色多态分析、光子晶体高灵敏荧光检测以及微纳高集成传感器设计等方面进行了系统的研究：1）利用光致变色荧光染料，发展多态检测与分析方法，实现“单一对多元”的单一染料对多元靶标的高分辨率辨别分析；2）利用光子晶体的角度依赖性结构色与选择性的荧光放大，推挤动态分析方法，实现“简单对复杂”的简单材料对复杂体系多元靶标的高灵敏检测与分析；3）通过构建微米/纳米高密度集成的传感器阵列，发展多功能、便捷的多元监测分析可穿戴器件。分别从多重金属阳离子辨别分析出发，实现天然氨基酸、手性的糖类分子的全辨别分析，验证分析方法、检测手段与传感器件的可靠性与通用性，进而通过可穿戴集成传感器扩展到人体征的多元监测与分析。